“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。     

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(兆瓦级)风力机的空气动力学问题"专刊前言

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。本刊特邀请中国科学院力学研究所胡文瑞院士、南京航空航天大学王同光教授和上海交通大学李晔教授担任客座编委,策划组织了题为"大型（兆瓦级）风力机的空气动力学问题"专刊,集中报道国内外针对上述问题的最新研究成果和进展趋势。     

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.     

风力机叶型增升及叶尖流动控制研究

研究了两种改善风力机叶型气动性能的流动控制技术,分别对风力机专用S809翼型和较大升阻比的FX 60-100翼型进行应用研究．首先,通过在叶型前缘加装流动偏转器,研究流动偏转器对叶型流动分离的控制效果．并采用多岛基因算法,对流动偏转器进行多参数优化．结果表明:流动偏转器可以有效控制叶型的失速特性,推迟失速攻角和增加升力;基因优化算法能更大地提升流动偏转器的控制效果．其次,基于对风力机叶尖旋涡和尾涡特征以及叶片表面压力分布的分析,在叶片尖部加装不同倾斜角的旋涡扩散器控制叶尖涡．结果表明:涡扩散器能够提高叶尖涡涡核的总压,削弱其旋涡强度,使风力机尾流旋涡耗散更快,从而可以减小噪声,提高叶片效率．     

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.     

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     

翼型绕流干涉噪声的实验与数值研究

来流湍流干扰噪声在风力机叶片气动总噪声级中占有重要地位．选取圆柱/翼型干涉模型从实验和数值两方面研究此类干涉发声现象．实验中通过对翼型表面非定常载荷的测量,重点研究了圆柱位置和翼型攻角的影响,选取的翼型包括两个NACA系列翼型（NACA0012和NACA0018）和两个风力机翼型（s809和s825）,同时利用PIV（particle image velocimetry）技术对低攻角状态下翼型的前缘流场进行了研究．实验结果表明翼型表面非定常压力与圆柱涡脱落存在一定相关性．与此同时采用非定常Reynolds平均(URANS)方法对圆柱/NACA0012翼型的干涉流场进行了非定常数值模拟,并将得到的翼型表面压力频谱与实验结果进行了对比．     

空化噪声极值的确定

本文从理论上探讨了空化噪声极值出现的原因,并给出确定物体空化噪声极值的初步方法.     

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.     

Research status and trend of wind turbine aerodynamic noise?

The main components of the wind turbine aerodynamic noise are introduced. A detailed review is given on the theoretical prediction, experimental measurement, and numerical simulation methods of wind turbine noise, with speci?c attention to appli-cations. Furthermore, suppression techniques of wind turbine aerodynamic noise are discussed. The perspective of future research on the wind turbine aerodynamic noise is presented.     

Unsteady Flow and its Influence to Aerodynamic and Aeroacoustic of VAWT's

A study is reported of the influence of unsteady flow on the aerodynamics and aeroacoustics of vertical axis wind turbines by numerical simulation. The combination of aerodynamic predictions with a discrete vortex method and aeroacoustic predictions based on Ffowcs Williams-Hawkings equation is used to achieve this goal. The numerical results show that unsteady flow of the turbine has a significant influence on the turbine aerodynamics and can lead to a decrease in generated noise as compared to the conventional horizontal axis wind turbine at the similar aerodynamic performance. (© 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Progresses in application of computational ?uid dynamic methods to large scale wind turbine aerodynamics?

The computational ?uid dynamics (CFD) methods are applied to aerody-namic problems for large scale wind turbines. The progresses including the aerodynamic analyses of wind turbine pro?les, numerical ?ow simulation of wind turbine blades, evalu-ation of aerodynamic performance, and multi-objective blade optimization are discussed. Based on the CFD methods, signi?cant improvements are obtained to predict two/three-dimensional aerodynamic characteristics of wind turbine airfoils and blades, and the vorti-cal structure in their wake ?ows is accurately captured. Combining with a multi-objective genetic algorithm, a 1.5 MW NH-1500 optimized blade is designed with high e?ciency in wind energy conversion.     

Aeroelastic analysis of large horizontal wind turbine baldes?

A nonlinear aeroelastic analysis method for large horizontal wind turbines is described. A vortex wake method and a nonlinear ?nite element method (FEM) are coupled in the approach. The vortex wake method is used to predict wind turbine aero-dynamic loads of a wind turbine, and a three-dimensional (3D) shell model is built for the rotor. Average aerodynamic forces along the azimuth are applied to the structural model, and the nonlinear static aeroelastic behaviors are computed. The wind rotor modes are obtained at the static aeroelastic status by linearizing the coupled equations. The static aeroelastic performance and dynamic aeroelastic responses are calculated for the NH1500 wind turbine. The results show that structural geometrical nonlinearities signi?cantly reduce displacements and vibration amplitudes of the wind turbine blades. Therefore, structural geometrical nonlinearities cannot be neglected both in the static aeroelastic analysis and dynamic aeroelastic analysis.     

Stall-delay modelling of wind turbine blades

Most aerodynamic design tools for horizontal-axial wind turbines are based on the blade-element momentum theory (BEM). Due to the nature of this theory, the design tools need 2-D steady sectional lift and drag curves as an input. In practice, flow over a wind turbine rotor blade is neither two-dimensional nor steady, and is affected by rotation. Pioneering experiments have identified a consequence: at inboard rotor blade sections stall is delayed. This so-called Himmelskamp effect [1] gives a larger lift than predicted and, as a result, a higher power and loading than expected. Consequently, an aerodynamic model is needed to explain and predict sectional lift and drag under rotating conditions. (© 2011 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)