“大型(兆瓦级)风力机的空气动力学问题”专刊预告

近年来,风能作为无污染、可再生的自然能源引起了人们的高度重视。风力机是捕获风能的动力装置。大型(兆瓦级)风力机的建造和运行涉及到一系列复杂的空气动力学理论和应用问题:如叶片翼型升力特性、叶片气动弹性和气动噪声、风力机风洞模拟实验以及叶片气动优化设计等,成为近期国内外力学、工程界研究的前沿和热点之一。     

计算流体力学在大型风力机空气动力学的应用进展北大核心CSCD

针对大型风力机设计中的关键空气动力学问题,比较系统地介绍了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法的主要应用,特别是在大型风力机翼型气动分析、风力机流动的数值模拟、风轮空气动力特性的数值计算以及大型风力机叶片的多目标气动优化设计方面的进展.基于CFD方法分别实现了风力机翼型与叶片二维/三维气动特性的准确预测,风力机尾流场涡系结构的准确捕捉;并结合多目标遗传算法对1.5 MW风力机叶片进行了优化,获得了具有高风能利用效率的叶片方案.     

大型风力机翼型族的设计与实验北大核心CSCD

翼型是构成风力机叶片的基本要素,是风力机叶片设计的基础.发展适用于大型风力机叶片的高性能翼型,对于提高其风能捕获能力、减少重量以节约制造和运输成本、减轻惯性载荷和阵风载荷等具有重要意义.首先,回顾了上个世纪90年代以来风力机翼型族研究的发展历程,介绍了国外发展的S系列、DU系列、RIS系列、FFA系列等翼型族.其次,针对兆瓦级大型风力机翼型设计的技术要求,介绍了西北工业大学NPU-WA翼型族的设计、风洞实验及改进.最后,给出了多兆瓦级风力机翼型族的研究展望.     

大型近海水平轴风力机转轮的空气动力学性能优化判据

以近海风能工程为研究目标,对具有不同特性参数（设计风速、叶尖线速度和转轮实度）的大容量（1～10 MW）风力机转轮的气动性能与几何特性进行分析与研究．首先提出大型机组转轮气动性能优化判据:在其直径最小的前提下具有尽可能高的年可用风能特性因数以及与之相关的风能利用系数,因而可捕获最多风能,使年发电量最大．接着给出影响它的几个主要气动参数,如转轮设计风速、叶尖线速度以及转轮实度,并分析风力机在近海气象条件下运转时上述两个气动指标随这些参数变化的规律．提供的气动分析方法及结果可作为大型近海风力机转轮气动性能的评价基础．     

大型水平轴风力机叶片气动弹性计算

给出了一种考虑几何非线性的大型风力机静、 动气动弹性一体化计算方法．采用涡尾迹方法进行风力机气动载荷计算．建立风力机风轮的三维壳模型．沿周向平均风力机叶片载荷并加载到结构模型进行非线性静气动弹性分析．基于动力学小扰动假设, 在静平衡构型下进行动力学线性化, 计算风轮固有振动特性．继而结合非定常涡尾迹方法计算风力机动气动弹性响应．计算了NH 1500叶片考虑几何非线性的静气动弹性位移和动气动弹性响应．结果表明,大型风力机叶片几何非线性较为明显地减小静气动弹性位移,同时降低动气动弹性的响应幅值．大型风力机气动弹性响应计算需要考虑几何非线性     

竹层积材在大型风力机叶片设计中的应用研究北大核心CSCD

从大型风力机竹叶片设计的材料及结构角度出发,首先简要介绍了作为竹叶片主增加材料——竹层积材的力学性能实验及其基本的力学特性.随后基于这些性能数据,给出了一种常规形式的1.5 MW竹叶片的气动和结构设计方法,并重点阐述了竹叶片的结构铺层方法和关键的技术细节,最后简要概述了目前竹叶片设计还需要解决的技术问题.     

改进的NSGA-Ⅱ算法研究风力机叶片多目标优化

将一种采用精英控制策略和动态拥挤方法用于快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）,并应用到风力机叶片的优化研究中,获得了一种新颖的风力机叶片多目标优化设计方法．作为应用算例,以设计风速下的功率系数最大和叶片质量最小为优化目标,用该方法设计了5 MW大型风力机叶片．优化结果表明,此算法在处理风力机多目标优化问题取得了良好的效果,给出的是一个Pareto最优解集,而不是传统优化方法追求的单个最优解,为风力机多目标优化设计提供新的思路和通用的算法．     

海上浮式风力机及其动力学问题

深水风资源更为丰富,随着科技进步风电场正逐步向水深百米及以上的海域发展．海上浮式风力机、浮式基础以及系泊系统作业时,受到风浪流等的联合作用．就不同海上浮式风力机形式及其典型结构对应的气动载荷、水动力载荷,浮式风力机系统与环境动力的耦合问题、处理方法和可能的发展方向作了简要的评述．充分考虑作业背景的环境流场和风力机尺度,针对不同的流动特征综合各种理论方法和计算手段,更为准确地进行空气动力学-水动力学-控制系统-结构耦合分析是研究的难点和发展方向.     

气动、结构、载荷相协调的大型风电叶片自主研发进展

从叶片设计的3个关键环节（气动设计、结构设计和载荷评估）出发,对叶片自主研发进展进行了总结分析．在气动设计方面,概述了计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）方法、涡方法和叶素动量（blade element momentum, BEM）方法,并依据工程中广泛应用的BEM方法,指出了低风速区风电叶片的解决思路;在结构设计方面,简要概述了基于梁模型的传统设计分析方法,分析了其在大型复合材料叶片薄壳结构上的不足,并对有限元方法（finite element method, FEM）在叶片结构分析中的应用进展进行了介绍;在载荷评估方面,介绍了其对叶片和整机其它部件的影响,阐述了载荷预估方面的工作进展．然后,通过分析3个关键环节之间的相互关系,得到如下结论:建立气动、结构和载荷相协调的叶片优化设计体系,才能真正满足高效低成本的需要．最后,指明了需要进一步研究的主要方向,即高效低载翼型研究,结构非线性有限元分析,气动-结构耦合研究,设计标准制定．最终目标是建立适合中国风资源特点的叶片研发体系,推动我国风电产业发展.     

风力机气动噪声研究现状与发展趋势

首先介绍风力机气动噪声源的基本组成,然后对风力机气动噪声理论预测、实验测试和数值模拟方法进行阐述,重点论述这3类方法在风力机气动噪声研究中的应用现状,并讨论风力机气动噪声抑制技术,最后简要展望风力机气动噪声研究的发展趋势