横摆振荡翼型动态气动掠效应试验研究

大型风力机设计对获取翼型更加全面、准确的动态载荷提出更高要求, 研究翼型横摆振荡动态气动特性具有重要意义. 借助"电子凸轮"技术和动态数据同步采集手段, 针对翼型动态“掠效应”首次开展了横摆振荡风洞试验研究, 研究表明: 横摆振荡翼型的气动曲线存在明显迟滞效应, 吸力面压力周期性波动是主要诱因, 且随着振荡频率、初始迎角和振幅的增大, 气动迟滞特性均增强; 升力和压差阻力随横摆角变化的迟滞回线呈"W"形, 俯仰力矩迟滞回线呈"M"形, 升力差量迟滞回线呈"$\infty$"形; 负行程下翼型气动力相对于正行程下的更高, 且负行程下翼型气动力随振荡频率的增大而略有增大, 正行程下则明显减小; 升力系数功率谱密度分布在振荡频率倍频处的能量集中的幅值随着振荡频率增大有增大趋势; 吸力面1.2%和40%弦长处压力的滞回特性较强, 是由于翼面剪切层涡和动态分离涡周期性发展、运动、破裂和重建; 振幅为$10^{\circ}$时, 升力迟滞曲线呈"$^{\wedge}$"形, 振幅为$30^{\circ}$ 时, 升力迟滞曲线呈"$^{\wedge\wedge\wedge}$"形.      

风力机叶片翼型动态试验技术研究

风力机叶片动态振荡过程往往伴随着俯仰和横摆同时进行,以前对许多动态问题不清楚的阶段,工程上不惜以增加叶片重量为代价而采用偏安全的设计,通常忽略横摆振荡的影响;大型风力机设计对获取翼型更加全面、准确的动态载荷提出了更高要求,研究横摆振荡对翼型动态气动特性的影响规律具有重要意义.本文首次开展翼型横摆振荡动态风洞试验研究,采用"电子凸轮"技术代替机械凸轮实现了振荡频率和振荡角度的无级变化,基于设计的电子外触发装置实现了对动态流场的实时测量,实现了风洞来流、模型角位移和动态压力数据的同步采集,分别开展了翼型静态测压、俯仰/横摆动态测压、粒子图像测速和荧光丝线等试验研究,试验结果准度较高、规律合理;分析了动态试验洞壁干扰影响机制.研究表明,横摆振荡翼型的气动曲线也存在明显迟滞效应;随着振荡频率升高,翼型俯仰和横摆振荡下的气动迟滞性均增强;翼型俯仰振荡正行程的动态失速涡破裂有所延迟;洞壁与模型端部交界处的强三维效应对翼型压力分布影响较大;建立的横摆振荡试验技术可为风力机动态掠效应的研究提供技术支撑.     

顺桨风力机塔叶干涉翼型非稳气动力时频特性

由于风力机叶片与塔筒流场相互干涉,实际气动力与理想情况存在较大差异,这种干涉作用造成的气动力差异给叶片与塔筒结构可靠性带来不可忽视的影响.以翼型DU91-W2-250为研究对象,采用瞬态数值分析与本征正交分解方法,考虑叶片和塔筒流场相互干涉作用,分析顺桨工况翼型非稳气动力时频特性及其影响规律,量化不同雷诺数下塔叶相对位置及几何参数对气动力均值、波动幅度和频率的影响程度,通过流场模态能量分布形态分析,揭示流场干涉对气动力的影响机制.结果表明,翼型气动中心至塔筒几何中心的垂直距离、水平距离以及塔筒直径相对于翼型弦长的无量纲参数y*,x*和D*对气动力均有不同程度影响,其中y*对升阻力系数均值影响最大,对频率无明显影响,y*绝对值越大,C_l均值越接近单翼型C_l值,y*绝对值越小升阻力系数波动幅度越大,y*从-12增大到12,升力系数均值最小值为-0.48,最大值为1.16;x*减小和D*增大,反向阻力均值增大,波动幅度增大,波动频率略有下降,当x*小于临界值5时,带塔翼型阻力均值反向;在计算范围内,带塔翼型升力系数均值相对于单翼型升力系数最大偏差为...     

智能风力机叶片振动主动控制研究综述

风力机叶片是一个细长柔性体,承受多种交变力的作用,其可靠性受到越来越多的关注,现有风力机叶片的被动式控制很难适应风力机叶片大型化发展的要求,针对智能结构的风力机叶片主动控制的研究越来越受到重视。本文对智能风力机叶片的振动主动控制问题进行了综述,包括结构设计、不同智能材料选用及各类控制算法(如直接速度控制、状态空间控制、神经网络控制、前馈控制、自适应控制等不同的控制策略)的运用等。现有的研究存在不同程度的不足:1叶片智能结构设计不足;2智能风力机叶片的理论建模不足;3针对风力机叶片的振动主动控制技术有待完善。今后应加强以上方面的研究力度。     

风力机叶片非线性挥舞分析

将风力机叶片简化为绕轮毂旋转的变截面Euler-Bernoulli悬臂梁,基于Greenberg公式给出非线性气动力,建立叶片挥舞振动非线性控制方程.由于变截面梁的弯曲刚度和线密度是沿梁轴线变化的函数,无法给出模态函数解析式,论文提出使用假设模态法计算的模态函数,作为基函数对控制方程进行Galerkin截断,通过将挥舞振动分解为静态位移和动态扰动合成,对其进行动态响应分析,同时讨论了叶轮转速、风速和旋转位置对振动特性的影响.研究表明:(1)叶轮转速对叶片挥舞特性影响显著,风速和叶片转角对振动特性影响很小.(2)静态位移随风速增加而增大,大体上成线性关系,气动阻尼随风速增加而减小.(3)风速较低时,非线性挥舞振动表现为衰减振动,随着风速增加,振动由衰减振动演化为周期运动,再由周期运动演化为拟周期运动.     

风力机叶片压电振动的主动控制研究

提出了将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新结构的概念。本文将智能材料作为传感器和作动器,通过机电耦合抑制叶片的振动;利用有限元软件 Algor 分析在气动力作用下叶片的应力、应变;基于压电陶瓷第一压电方程,将风电叶片简化成柔性悬臂梁,建立了压电智能悬臂梁状态空间的动力学模型;针对此系统利用最优控制理论进行主动振动控制,设计了在系统低阶模态空间的振动控制器。最后通过计算机仿真得出：系统振动幅度缩小了约20%,振动时间减少了约80%,从而说明了此主动振动控制方法的有效性和可行性,对防止叶片这一弹性体发生颤振也起到一定的作用。     

基于后缘小翼的翼型反流动态失速主动控制试验研究

针对直升机旋翼反流区因反流动态失速导致的非定常载荷、阻力激增以及负升力等问题,开展了基于后缘小翼的翼型反流动态失速主动控制试验研究.采用动态压力测量结合翼型表面压力积分的方法,重点分析了后缘小翼不同的振荡相位差、幅值和减缩频率对反流动态失速控制的影响规律,对比了后缘小翼动态偏转和固定偏转的差异,试验雷诺数Re=3.5×10⁵.结果表明,当后缘小翼与翼型以相同的频率正弦振荡运动,且二者的相位差为0°时,能改善反流动态失速过程中钝几何前缘的流动分离,并在反流状态下实现了翼型负升力系数下降21.2%,阻力系数下降37.5%,俯仰力矩系数迟滞环面积下降44.6%的控制效果;动态偏转的后缘小翼对翼型反流动态失速的控制效果随后缘小翼振荡幅值的增加而增加,但进一步增加振荡幅值对于控制效果的提升有限;当减缩频率增加时,动态偏转的后缘小翼对反流状态下翼型阻力的控制效果会更加明显;后缘小翼的动态偏转与固定偏转都能有效改善翼型在反流中的动态气动性能,但是动态偏转对于不同翼型迎角的适应能力优于固定偏转,并取得了更好的非定常载荷控制以及更好的阻力和负升力改善效果.     

风力机叶片非线性摆振响应及稳定性分析

本文对风力机叶片摆振运动的动态响应以及稳定性进行了分析.基于叶片大挠度摆振运动控制偏微分方程,进行Galerkin截断离散,得到模态方程.通过将摆振位移分解为静态位移和动态位移,得到了静态位移和动态位移方程.使用摄动法对主共振情况下的动态响应进行求解,分析了入流速度比对稳态解和振幅的影响,以及平衡点的稳定性.得到以下结论:当入流速度比处于在某范围内时,叶片摆振运动表现为主共振,在该主共振的区域内,叶片非线性摆振为稳定的周期运动.     

风力机翼型动态失速等离子体流动控制数值研究

针对动态失速引起的风力机翼型气动性能恶化的问题,本文基于动网格和滑移网格技术, 开展了大涡模拟数值计算研究,探索了非定常脉冲等离子体的动态流动控制机理. 结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速, 改善平均和瞬态气动力,减小力矩负峰值和迟滞环面积. 压力分布在等离子体施加范围内出现了负压"凸起",上翼面吸力峰值明显增大.脉冲频率和占空比这两个非定常控制参数对流动控制影响显著,无因次脉冲频率为1.5时等离子体控制效果较好,占空比为0.8时即可接近连续工作模式下的气动收益. 翼型深失速状态,等离子体促使流动分离位置明显向后缘移动, 抵抗了大尺度动态失速涡的发生,分离涡结构破碎耗散、重新附着, 涡流影响范围减小; 浅失速状态,等离子体激励具有较强的剪切层操纵能力, 诱导了翼型边界层提前转捩,促进了与主流的动量掺混. 等离子体气动激励诱导出前缘附近贴体翼面"涡簇",起到了虚拟气动外形的作用.不同尺度、频域的动态涡结构与等离子体气动激励的非线性、强耦合作用导致了气动力/力矩的谐波振荡.      

3MW叶片翼型设计与气动特性分析

对于大功率叶片的设计研究，翼型的选择和气动特性分析是重要内容。考虑到叶片的整体结构和气动特性，叶片在主要输功区域布置了风力机专用的DU系列翼型，叶尖部分布置NACA64系列翼型，能满足雷诺数较大，阻力小的要求。在确定截面翼型的基础上，结合Wilson理论设计模型初步算出翼型的轴向、周向诱导因子，叶尖、轮毂损失因子等具体...     

NUMERICAL STUDY ON DYNAMIC STALL FLOW CONTROL FOR WIND TURBINE AIRFOIL USING PLASMA ACTUATOR 1)

针对动态失速引起的风力机翼型气动性能恶化的问题,本文基于动网格和滑移网格技术, 开展了大涡模拟数值计算研究,探索了非定常脉冲等离子体的动态流动控制机理. 结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速, 改善平均和瞬态气动力,减小力矩负峰值和迟滞环面积. 压力分布在等离子体施加范围内出现了负压"凸起",上翼面吸力峰值明显增大.脉冲频率和占空比这两个非定常控制参数对流动控制影响显著,无因次脉冲频率为1.5时等离子体控制效果较好,占空比为0.8时即可接近连续工作模式下的气动收益. 翼型深失速状态,等离子体促使流动分离位置明显向后缘移动, 抵抗了大尺度动态失速涡的发生,分离涡结构破碎耗散、重新附着, 涡流影响范围减小; 浅失速状态,等离子体激励具有较强的剪切层操纵能力, 诱导了翼型边界层提前转捩,促进了与主流的动量掺混. 等离子体气动激励诱导出前缘附近贴体翼面"涡簇",起到了虚拟气动外形的作用.不同尺度、频域的动态涡结构与等离子体气动激励的非线性、强耦合作用导致了气动力/力矩的谐波振荡.     

钝后缘风力机翼型的环量控制研究

钝后缘风力机翼型具有结构强度高、对表面污染不敏感等优点,但其较大的阻力系数使得翼型的整体气动特性不够理想. 利用环量控制方法对钝后缘风力机翼型进行了流动控制,以改善钝后缘风力机翼型的气动特性,减弱尾迹区脱体涡强度. 通过对钝后缘风力机翼型环量控制方法进行相关的数值模拟,对比研究了环量控制方法的增升减阻效果, 研究了环量控制下翼型升阻力特性随射流动量系数的变化规律,并对不同射流动量系数下环量控制方法的气动品质因子和控制效率进行了分析. 研究结果表明:环量控制方法能够大幅提升钝后缘风力机翼型的升力系数,同时有效地降低翼型的阻力系数; 翼型的升力系数随射流动量系数的增大而增大,表现出很明显的分离控制阶段和超环量控制阶段的变化规律; 射流能耗的功率系数随射流动量系数的增大而增大,且增长速率逐渐增大;实施环量控制方法后叶片的输出功率同样随射流动量系数增大而增大,但增长速率逐渐降低. 总体来说,环量控制方法可以有效地改善钝后缘风力机翼型的气动特性以及功率输出特性,在大型风力机流动控制中具有很好的应用前景.      

DYNAMIC CHARACTERISTICS OF LAG VIBRATION OF A WIND TURBINE BLADE

Lagwise dynamic characteristics of a wind turbine blade subjected to unsteady aero- dynamic loads are studied in this paper. The partial differential equations governing the coupled longitudinal-transverse vibration of the blade with large bending deflection are obtained by ap- plying Hamilton＇s principle. The modal problem of the coupled vibration is handled by using the method of numerical integration of Green＇s function. Influences of the rotating speed, the pitch angle, the setting angle, and the aerodynamic loads on natural frequencies are discussed. Results show that： （I） Lagwise natural frequencies ascend with the increase of rotating speed; effects of the rotating speed on low-frequencies are dramatic while these effects on high-frequencies become less. （2） Influences of the pitch angle on natural frequencies are little; in the range of the normal rotating speed, the first frequency ascends with the increase of the absolute value of the pitch angle, while it is contrary to the second and third frequencies. （3） Effects of the setting angle on natural frequencies depend on the rotating speed; influences are not significant at low speed, while they are dramatic on the first frequency at high speed. （4） Effects of the aerodynamic loads on natural frequencies are very little; frequencies derived from the model considering aerodynamic loads are smaller than those from the model neglecting aerodynamic loads; relative errors of the results corresponding to two models ascend with the increase of the absolute value of the setting angle.     

翼型与风洞侧壁交接角区分离流动研究

运用Navier-Stokes数值模拟对翼型模型试验时风洞侧壁和翼型模型结合部拐角区黏型分离流动进行模拟,并将简单代数湍流模型扩展用于机翼/风洞侧壁拐角区流动.计算格式在空间上采用中心有限体积离散,在时间上采用多步Runge-Kutta时间步长格式进行积分.结果显示,在翼型模型风洞试验时,模型/侧壁拐角区、模型表面、侧壁表面和模型后形成复杂的黏性分离流动和二次分离,对实验结果产生很大的影响.     

优化跨音速自适应壁试验段设计的试验研究

分析了在矩形截面试验段中三元模型试验时的洞壁干扰分布。讨论了为扩大二元柔壁自适应壁风洞中进行飞机模型试验时的无干扰区，较合适的试验段宽高比。用两个翼身组合体模型，在西北工业大学高速二元柔壁自适应风洞中作了变试验段宽高比为Ｂ／Ｈ＝１．０，１．２，１．４时的测压试验。两个模型都在德国宇航院ＨＫＧ高速风洞中作了对比试验，研究结果表明，Ｂ／Ｈ＝１．４的柔壁试验段截面较为合适。     

风速不确定性对风力机气动力影响量化研究

风力机气动力学一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是基于确定性工况条件,但因风力机常年工作在自然来流复杂环境,风速随机波动致使风电系统呈现不确定性,对电网稳定性带来巨大挑战,因此进行不确定风速条件下风力机气动力学研究具有重要意义.为揭示不确定性对风力机流场影响机理并明确其对气动力的影响程度,本文提出一种风力机不确定空气动力学分析方法,基于修正叶素动量理论和非嵌入式概率配置点法,建立水平轴风力机不确定性空气动力学响应模型;以NREL Phase VI S809风力机叶轮为研究对象,基于该模型提取风力机输出随机响应信息,量化不确定风速对风力机风轮功率、推力、叶片挥舞弯矩和摆振弯矩的影响程度;通过分析流动诱导因子不确定性在叶片展长方向上的分布规律,揭示不确定因素在风力机本体上的传播机制,为风电系统设计及应用提供理论依据和重要参考.结果表明,风速波动对风力机功率和气动力影响显著,高斯风速标准差由0.05倍增大至0.15倍均值,功率和推力最大波动幅度分别由13.44%和8.00%增大至35.11%和22.02%,叶片挥舞弯矩和摆振弯矩最大波动幅度分别由7.20%和12.84%增大至1...     

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在风力机风轮空气动力学计算中出现一叶片径向环量分布积分方程的求解问题. 方程中的 被积函数包含待求环量的导数, 是个积分-微分方程. 给出该方程的合理解法，以获取较准确的风轮气动特性. 文中先简述了该积分-微分方程的来源. 继而给出其两种数值解法及被积函数奇异性的处理方 法. 最后将所给方法的气动计算结果与其它方法的结果作了比较，以说明所给方法的有效性. 同时还指出其不足并给出改进的预想方法.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON LIFT INCREMENT OF A PLASMA CIRCULATION CONTROL AIRFOIL

利用等离子体激励器发展了新型的环量增升技术,并对二维NACA0012翼型绕流实施控制。由于NACA0012翼型为尖后缘构型,环量增升装置由2个非对称型介质阻挡放电等离子体激励器构成。一个等离子体激励器贴附于翼型吸力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流沿来流方向指向下游;另一个等离子体激励器贴附于翼型压力面靠近后缘处,其诱导的壁面射流与来流方向相反指向上游。在风洞中通过时间解析二维PIV系统对翼型绕流流场进行了测量,基于翼型弦长的雷诺数Re=20 000。结果表明在等离子体激励器的控制下,翼型压力面靠近后缘处可以形成一个定常回流区,从而起到虚拟气动外形的作用,因此翼型吸力面的流场得到加速,压力面的流场得到减速,使得翼型压力面的吸力以及压力面的压力都得到增加,进而增加了翼型的环量。风洞天平测力实验进一步验证了该环量增升技术的有效性。在整个攻角范围内,施加控制的翼型的升力系数相比没有控制的工况有明显的提高。