风力机叶片非定常气动力降阶模型方法
垂直轴风力机叶片改进动态失速模型
垂直轴风力机叶片改进动态失速模型张立军;赵昕辉;马东辰;米玉霞;王旱祥;姜浩【摘要】为研究垂直轴风力机叶片在动态失速下的气动性能,结合风力机的实际工作情况对常用动态失速模型——B-L模型和MIT模型进行了修正.以Sandia实验室17 m垂直轴风力机为例,计算了风力机叶尖速比分别为2.33和3.09时叶片的动态切向力系数和动态法向力系数.研究结果显示:MIT修正模型对风力机上风区的切向力系数和下风区的法向力系数的预测精度较高;B-L修正模型对风力机上风区的法向力系数和下风区的切向力系数的计算结果与实验数据较一致.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2019(030)006【总页数】7页(P644-649,657)【关键词】垂直轴风力机;动态失速;B-L模型;MIT模型;双致动盘多流管【作者】张立军;赵昕辉;马东辰;米玉霞;王旱祥;姜浩【作者单位】中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,青岛,266580【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言垂直轴风力机可以接收来自任何方向的风，其增速齿轮箱和发电机可以安装在地面，运行维修方便，但风力机运行时，其叶片常发生动态失速(低叶尖速比时尤为明显)[1]，因此准确计算动态失速下的叶片气动力系数是分析与设计垂直轴风力机的关键。
动态失速是指叶片攻角发生周期性或非定常变化时，翼型的失速攻角比静态失速攻角要大得多，且翼型气动特性曲线(通常为法向力系数和切向力系数随攻角的变化曲线)要明显滞后于静态曲线的现象。
翼型发生动态失速时测得的动态气动力系数与翼型静止时的静态气动力系数相差较大。
目前研究翼型动态失速的方法主要有三种：①以Navier-Stokes方程为基础的CFD数值方法[2-4]；②基于面元法和边界层理论的黏性与无黏耦合算法[5]；③基于实验数据建立的半经验动态失速模型方法[6-7]。
风力发电机叶片的动力学分析
风力发电机叶片的动力学分析1.叶片受风力作用的力学模型在风力作用下，叶片受到了来自风力的气动力和离心力的作用。
气动力是指风力对叶片产生的力，主要由气动阻力和升力组成；离心力则是由于叶片运动过程中产生的离心加速度而产生的力。
叶片受到的气动力和离心力可以用以下力学模型表示：F=FL+FA+FC其中，F表示总力；FL表示升力；FA表示阻力；FC表示离心力。
2.叶片动力学方程在叶片运动过程中，通过分析和推导可以得到叶片的动力学方程。
一般来说，叶片的动力学方程可以分为平动和转动两个方向的运动方程。
平动方向的运动方程可以表示为：ma = F - mg其中，m表示叶片的质量；a表示叶片的加速度；g表示重力加速度。
转动方向的运动方程可以表示为：Iα=M其中，I表示叶片的转动惯量；α表示叶片的角加速度；M表示叶片所受的扭矩。
3.叶片运动的特性分析通过对叶片动力学方程的分析，可以得到叶片运动的一些重要特性。
首先，叶片的运动速度和加速度是随风速和叶片位置的变化而变化的。
当风速较大时，叶片的运动速度和加速度较大；当风速较小时，叶片的运动速度和加速度较小。
其次，叶片的运动也与叶片的质量和刚度有关。
叶片质量越大，惯性力就越大，叶片的运动速度和加速度也会随之增大；叶片刚度越大，叶片的弯曲程度就越小，叶片的运动速度和加速度也会随之减小。
另外，叶片的机械结构和几何形状也会影响叶片的运动特性。
例如，增加叶片的长度和宽度可以增加叶片的弯曲刚度，减小叶片的弯曲程度，从而减小叶片的运动速度和加速度。
最后，叶片的动力学特性还与风力发电机系统的特性相互关联。
例如，当风力发电机系统的负荷增加时，风力发电机叶片所受的力和扭矩也会增加，从而改变叶片的运动特性。
综上所述，风力发电机叶片的动力学分析是对叶片在风力作用下的运动规律和力学特性进行研究的过程。
通过对叶片受力和运动方程的分析，可以了解叶片运动的特性和影响因素，从而为风力发电机叶片的设计和优化提供指导。
风力机翼型S809绕流流动特性的POD和DMD对比分析
风力机翼型S809绕流流动特性的POD和DMD对比分析李凯迪;孙晓晶【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2024(42)3【摘要】失速时的流动分离现象对风力机叶片的气动性能有重要影响,S809作为典型水平轴风力机翼型,在临界失速攻角下气动性能会大幅降低。
基于流动特征提取的非定常流场降阶模型(reduced-order model,ROM)是进一步深入了解非定常流动的重要手段。
本文通过计算流体力学方法得到轻、深失速攻角下翼型的流动特征,对时变速度场进行本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)和动态模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)分析,得到轻、深失速下翼型的非定常流场信息(能量占比、模态频率等)。
通过两种方法的对比,结果表明,POD和DMD方法能够准确捕捉流动过程中的非定常结构和升力主频相同的典型模态,但是POD方法由于基于能量特征,在捕捉模态时会忽略与升力主频相近但能量较小的流动结构,而基于频率特征的DMD方法能够准确获得场的演化信息(增长率、频率等)。
本文研究有利于针对主频结构发展相应的流动控制方法,从而改善翼型流场情况,提高气动性能。
【总页数】14页(P55-68)【作者】李凯迪;孙晓晶【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院;上海市动力工程多相流动与传热重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TK83【相关文献】1.飞行器大攻角复杂流动的POD和DMD对比分析2.水平轴风力机动态来流条件下翼型气动特性的数值分析3.低雷诺数下二维翼型绕流的流场特性分析4.风力机翼型非定常流场POD和EPOD分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
风力机叶片的非定常气动特性计算方法的改进
第 25 卷第 10 期 2008 年 10 月Vol.25 No.10 Oct. 2008工程力学 54ENGINEERING MECHANICS文章编号：1000-4750(2008)10-0054-06风力机叶片的非定常气动特性计算方法的改进*伍 艳 1，谢 华 2，王同光 3(1. 空军第一航空学院，河南，信阳 464000；2. 武汉大学水利水电学院，武汉 430072；3. 南京航空航天大学航空宇航学院，南京 210016)摘要：该文从日常的风力机气动设计和研究出发，在考虑非定常条件下翼型绕流物理特性的基础上改进动态失速的半经验模型，先得到二维时的计算结果(即不考虑旋转影响的计算结果)，再在考虑紊流的情况下分析离心力 和哥氏力对附面层分离的影响来计算风力机叶片的非定常气动特性， 得到三维时的计算结果(即考虑旋转影响的计 算结果)。
分析比较二维和三维时的计算结果，可知采用考虑旋转影响的计算方法改善了原来二维时的计算方法， 所得结果与实验值吻合得较好。
关键词：流体力学；非定常空气动力学；三维旋转效应；风力机；动态失速；附面层 中图分类号：V211.3 文献标识码：AMODIFICATION OF CALCULATING UNSTEADY AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF WIND TURBINE BLADES*WU Yan1 , XIE Hua2 , WANG Tong-guang3(1. The First Aeronautical Institute of Air Force, Xinyang, Henan 464000, China; 2. College of Water Resource and Hydropower, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 3. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)Abstract:A rational calculating method for the unsteady aerodynamic characteristics of the wind turbine bladesis presented in this paper. By modifying the unsteady aerodynamic and dynamic stall model, the classical momentum-blade element theory is improved to account for yaw effect in a quasi-steady manner for wind turbines, and then the two-dimensional (2-D) results are deduced. While the three-dimensional (3-D) rotational effect which changes the blade aerodynamic characteristics greatly compared to its non-rotating counterpart is not considered in the 2-D model. Based on the 2-D model, the effects of the centrifugal pumping and Coriolis force on the flow separation under the turbulence condition are analyzed, and the analytical relationship between the 3-D rotational effect and the flow separation are obtained, which is coupled to the 2-D model to give the 3-D results. Both the calculated 2-D and 3-D results are compared with experimental data at different wind velocities and yawed angles of the wind turbine, showing that the calculation is improved by the inclusion of the 3-D rotational effects. Key words: fluid mechanics; unsteady aerodynamics; three-dimensional rotational effect; wind turbine; dynamic stall; boundary layer 风力机总是在非定常空气动力环境中运行，非 定常因素包括大气紊流、风剪切、风向的变化(侧偏———————————————收稿日期：2007-05-10；修改日期：2007-10-09 基金项目：航空科学基金资助项目(02A52003) 作者简介：*伍 艳(1975―)，女，重庆涪陵人，讲师，硕士，从事计算流体力学研究(E-mail: wuyan_nuaa@)； 谢 华(1975―)，男，陕西汉中人，讲师，博士，从事水利水电工程的教学与科研(E-mail: xiehua@)； 王同光(1962―)，男，山东人，教授，博士，博导，从事计算流体力学研究(E-mail: tgwang@).风)和塔影效应等， 这些现象使叶片受到非定常气动 载荷的作用，对风力机的气动性能和结构疲劳寿命工程力学55产生很大的影响。
基于非定常气动力降阶的AGARD445.6硬机翼不同迎角颤振研究
基于非定常气动力降阶的AGARD445.6硬机翼不同迎角颤
振研究
容浩然;戴玉婷;许云涛;杨超
【期刊名称】《工程力学》
【年(卷),期】2022(39)12
【摘要】以AGARD445.6硬机翼为研究对象,发展了基于计算流体力学与模态叠加的并行流固耦合方法,计算该机翼在不同初始迎角、不同来流速度的气动弹性时域响应,结果表明:初始迎角小于7°时,该机翼颤振速度随着初始迎角增加而降低;初始迎角7°~10°,颤振速度随着迎角增大而增加。
在10°迎角条件建立了基于径向基神经网络的非定常气动降阶模型,准确预测不同速度、减缩频率的非定常气动力,并使用时域龙格库塔法和频域VG法预测10°迎角的颤振特性;建立考虑初始迎角输入的非定常气动降阶模型,预测机翼不同初始迎角的颤振特性。
基于降阶模型的初始迎角对颤振边界影响的机理分析表明:小迎角时,随着迎角的增加广义力系数幅值比增加,导致颤振速度的下降;迎角大于7°后展向涡改变了机翼表面压强分布,导致一扭广义力系数幅值比降低,从而增加该机翼颤振速度。
【总页数】16页(P232-247)
【作者】容浩然;戴玉婷;许云涛;杨超
【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】V211.47
【相关文献】
1.基于Volterra级数的非定常气动力降阶模型
2.基于Volterra级数的非线性非定常气动力降阶模型
3.采用非定常涡气动力理论的非线性颤振主动抑制仿真研究
4.基于非定常N-S方程的三维机翼颤振特性研究
5.基于CFD的地面颤振模拟试验非定常气动力重构方法研究
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水平轴大型风力机翼型非定常气动特性分析的开题报告
水平轴大型风力机翼型非定常气动特性分析的开题报告一、选题背景与意义随着能源需求的增长和环境保护的日益重视，风能成为全球清洁能源开发的重要方向之一。
水平轴大型风力机是当前主流的商业化风力发电设备，但在其运行过程中，存在着一系列气动问题，例如复杂的非定常气动特性和翼型失速现象等。
因此，对水平轴大型风力机的气动特性进行深入的研究，能够有效地提高其效率和可靠性，为风能发电技术的进一步发展奠定基础。
二、研究内容与方法本文研究内容为水平轴大型风力机的翼型非定常气动特性，其中主要包括：1.翼型的几何形状分析。
通过对常见的翼型进行分析，确定适用于水平轴大型风力机的翼型类型及其主要参数。
2.数值模拟方法研究。
综合考虑复杂气动流场的影响和计算效率的要求，选用合适的计算模型和仿真软件，进行翼型非定常气动特性的数值模拟。
3.非定常气动特性分析。
从压力分布、力矩、升力和阻力等方面，对翼型非定常气动特性进行深入的分析和探究。
三、预期结果与创新点预期通过本文的研究，可以深入了解水平轴大型风力机的非定常气动特性，为设计优化提供理论指导和实验依据。
具体预期结果包括：1.翼型的几何形状分析结果，将为后续的仿真模拟提供翼型参数。
2.数值模拟方法研究结果，将为气动特性分析提供计算基础。
3.非定常气动特性分析结果，将为翼型设计和风力机的性能提升提供理论支撑。
创新点：1.本文研究针对非定常气动特性做了深入探究。
2.选择了适合翼型非定常气动特性分析的数值模拟方法和仿真软件，优化了模型和方法。
3.翼型的几何形状参数选择和分析基于对商用风力机的考虑。
四、进度安排1.前期准备（1个月）：查阅文献、对水平轴大型风力机翼型进行几何形状分析。
2.数值模拟方法研究（2个月）：选择数值模拟方法和仿真软件，构建计算模型。
3.数值模拟分析（3个月）：进行翼型非定常气动特性的数值模拟。
4.分析与证明（2个月）：分析非定常气动特性的分布规律和影响因素。
5.总结与撰写论文（1个月）：总结结果，撰写论文并进行修改。
Savonius型风力机非定常流动的CFD和PIV研究
Savonius型风力机非定常流动的CFD和PIV研究摘要：本文旨在介绍Savonius（萨沃纽斯）型垂直轴风力发电机流场的研究。
这种风力机结构紧凑，可当做多级能源使用。
它的转子高度大约相等于转子直径，因此，风力发电机组的流动模拟需要三维模型。
由于其操作原则和叶片气流角的连续变化，可以观察到强烈不稳定影响造成的分离和涡脱落的现象。
在这种情况下，用K-ω和DES湍流模型可以得到良好的实验效果。
在本次工作中，我们采用CFD研究Savonius型风力机在不同流场条件下的行为，并确定其性能和尾迹的演变。
流场分析能帮助我们判别风力机设计的好坏。
为了验证模拟的准确性，在风洞中进行PIV试验研究，它可以确定真实的流场结构并验证数值模拟的精度。
1.介绍风力机通常被分为两种类型：水平轴和垂直轴。
这样分类与转轴相对风的位置有关。
因此，Savonius型风力机和Darrieus,Gyromill,H-rotor等等风力机一样归类为垂直轴风机。
Savonius型风力机以拥有此专利的芬兰工程师Savonius命名。
转子的基本版本是个S形横截面，这个S形横截面由两个半圆形与它们之间的一小部分重叠的叶片组成。
Savonius型转子被列为拖动式垂直轴风力机，其操作原理主要是基于凸叶片和凹叶片之间的阻力差。
然而，转子的不同角位置以及升力也能产生扭矩。
文献3是Savonius型风力机优点的综述，这种风力机设计简单稳健，可支持高风速，在低风速下也具有良好的启动特性和操作性。
它不需要定向装置，能在任何风向下工作。
这种风力机比转速低，不幸的是它的功率系数比较低。
关于Savonius型转子的试验和数值研究已经很多很多。
文献1,4,5,6,7是关于风洞中的试验。
在文献8,9,10,11中，为了获得转子内部以及周围的速度场，很多作者使用粒子成像技术或者粒子跟踪测速法。
除了试验，文献1,12,13,14还展示了许多数值研究。
Savonius型转子的气动性能和机械强度使得这种风力机能作为一个小型自主电源的一部分。
风电叶片设计流程
叶片设计流程一．空气动力设计1．确定风轮的几何和空气动力设计参数2．选择翼型3．确定叶片的最佳形状4．计算风轮叶片的功率特性5．如果需要可以对设计进行修改并重复步骤4，以找到制造工艺约束下的最佳风轮设计。
6．计算在所有可遇尖速比下的风轮特性对于每个尖速比可采用上面步骤4 所述的方法，确定每个叶素的空气动力状态，由此确定整个风轮的性能。
7．风力机叶片三维效应分析非定常空气动力现象8．风力机叶片的动态失速9．10．叶片动态入流．风机载荷计算作为风力机设计和认证的重要依据，用于风力机的静强度和疲劳强度分析。
国际电工协会制定的IEC61400-1 标准、德国船级社制定的GL 规范和丹麦制定的DS 472 标准等对风力机的载荷进行了详细的规定。
2.1 IEC61400-1 标准规定的载荷情况2.2 风机载荷计算1 计算模型1 ）风模型（1）正常风模型（2）极端风模型（3）三维湍流模型2）风机模型风机模型包括几何模型、空气动力学模型、传动系统动力学模型、控制系统闭环模型和运行状态监控模型等。
2 风力机载荷特性1）叶片上的载荷（1）空气动力载荷包括摆振方向的剪力Q yb和弯矩M xb、挥舞方向的剪力Q xb 和弯矩M yb 以及与变浆距力矩平衡的叶片俯仰力矩M zb。
可根据叶片空气动力设计步骤4 中求得的叶素上法向力系数Cn 和切向力系数Ct, 通过积分求出作用在叶片上的空气动力载荷。
（2）重力载荷作用在叶片上的重力载荷对叶片产生的摆振方向弯矩，随叶片方位角的变化呈周期变化，是叶片的主要疲劳载荷。
（3）惯性载荷（4）操纵载荷2 ）轮毂上的载荷3）主轴上的载荷4 ）机舱上的载荷5) 偏航系统上的载荷6) 塔架上的载荷三．风力机气动弹性当风力机在自然风条件下运行时，作用在风力机上的空气动力、惯性力和弹性力等交变载荷会使结构产生变形和振动，影响风力机的正常运行甚至导致风力机损坏。
因此，在风力机的设计中必须考虑系统的稳定性和在外载作用下的动力响应，主要有①风力机气动弹性稳定性和动力响应②风力机机械传动系统的振动③风力机控制系统(包括偏航系统和变浆距系统等) 的稳定性和动力响应④风力机系统的振动。
风力机三维旋转叶片非定常气动特性数值模拟研究
风力机三维旋转叶片非定常气动特性数值模拟研究胡国玉;孙文磊;曹莉【摘要】Based on computational fluid dynamics (CFD) method,this paper simulated the aerodynamic characteristics of NREL Phase VI wind turbine.Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) turbulence models are used in the simulations,and extensive comparisons with experimental data are performed.By the comparison for power,thrust and sectional force coefficients of NREL Phase Ⅵ wind turbine between CFD and NREL,the results at constant pitch and variable wind speed show that the CFD predictions match the experimental data consistently well at low wind speed.At high wind speed,there is a little difference due to the effects of flow separation.The simulation results reveal the unsteady aerodynamic characteristics of wind turbine blade with three-dimensional rotational effect.%文章基于CFD方法对NREL Phase VI风机的气动特性进行了数值模拟.根据NREL定桨变速的实验工况,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),基于k-ω SST湍流模型分析了不同风速工况下的风机叶片流场特性,得到了气流沿叶片展向的流动分布.通过与NREL NASA-Ames风洞实验数据的对比,在低风速时采用CFD仿真的计算结果与实验结果更为吻合;在失速区域,由于气流分离的影响,CFD仿真的计算结果与实验结果对比差异较明显.CFD仿真大体上能够较好地预测实验风机的性能,分析动态失速现象发生的原因,揭示叶片在三维旋转效应下的非定常气动特性.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)006【总页数】5页(P867-871)【关键词】风力发电机;三维旋转效应;非定常气动特性;动态失速;分离流【作者】胡国玉;孙文磊;曹莉【作者单位】新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047【正文语种】中文【中图分类】TK83一般情况下，风力机的气动设计和载荷分析是采用稳态叶素-动量理论BEM[1]（Blade Element Momentum，BEM）进行计算的，但是由于基于二维翼型数据的BEM方法没有考虑到三维旋转效应，导致其计算值偏低。
尾流激励的叶片气动力降阶模型
尾流激励的叶片气动力降阶模型罗骁;李立州;杨明磊;张珺;原梅妮【摘要】气动力降阶模型是提高气动弹性振动分析速度的新方法.现有气动力降阶模型的研究主要集中在叶片和机翼的颤振方面,没有涉及尾流激励引起的叶片振动问题.基于小扰动理论,本文将上游尾流傅立叶分解为若干个谐波,分别计算各阶谐波对叶片气动力的扰动,通过线性叠加各扰动,建立了尾流激励的叶片气动力降阶模型.二维叶片的算例表明:本文建立的气动力降阶模型能够描述上游尾流引起的叶片气动力的变化.【期刊名称】《燃气轮机技术》【年(卷),期】2018(031)002【总页数】5页(P46-50)【关键词】尾流;气动力降阶模型;叶片;傅立叶分解【作者】罗骁;李立州;杨明磊;张珺;原梅妮【作者单位】中北大学机电工程学院,太原 030051;中北大学机电工程学院,太原030051;中北大学机电工程学院,太原 030051;太原学院数学系,太原 030001;中北大学机电工程学院,太原 030051【正文语种】中文【中图分类】TK472航空发动机中存在多组用于气流导向的静叶和用于做功的动叶。
当上、下游叶片相对转动时，上游叶片的尾流会使下游叶片的气动力周期性振荡[1-2]，引起叶片强迫振动[2-4]，导致叶片疲劳破坏[4-5]。
近年来的一些研究更发现：上游尾流甚至可以改变叶片的颤振特性[6-11]。
因此，研究尾流作用下叶片的振动特性对航空发动机的设计有着重要意义。
数值求解方法是研究尾流作用下叶片振动的主要方法,但其计算效率极低，工程应用不便[9-11]。
建立精确、高效的方法，研究尾流激励下叶片的振动，成为发动机设计中亟待解决的关键问题。
气动力降阶模型(aerodynamic ROM)可以快速估计扰动引起的气动力变化，近年来被广泛用于叶片和机翼的颤振研究[12-13]。
Silva[14]提出了基于Volterra级数的非线性气动力降阶模型。
张伟伟[9,12]、Kou[15]和Su[16]等用Volterra级数模型研究了叶栅的颤振。
水平轴风力机叶片气弹建模与响应分析_陆洋
０ １ ２年４月 ２
空 气 动 力 学 学 报 Ｖ ｏ ｌ ． ３ ０，Ｎ ｏ ． ２ ， Ａ Ｃ Ｔ Ａ Ａ Ｅ Ｒ Ｏ Ｄ Ｙ Ｎ ＡＭ Ｉ Ｃ Ａ Ｓ Ｉ Ｎ Ｉ Ｃ Ａ Ａ ｒ ． ２ ０ １ ２ ｐ 欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟
１ ９ ４
空 气 动 力 学 学 报 第 ３ ０卷
为Ａ 两段进 行 处 理 ， 在Ｂ 段引入上反坐标 Ｂ和 Ｂ Ｃ ′ Ｃ ′ 系Ｒ ｏ ｘ ｚ ｙ ｓ： ｓ ｓ ｓ ｓ。 上 反 坐 标 系 与 变 距 坐 标 系 之 间 的 转 换 关 系 Ｔ ｓ 为：
坐标系描述
Ｔ 坐标原点位于机舱质心 ， 基矢量为 ［ ｉ ｋ ｊ ｂ ｂ ｂ］ Ｔ 坐标原点位于轮毂中心 ， 并相对于 Ｒ ｉ ｋ ｊ ｈ ０绕 ｙ ｈ ０以角速度 ω 旋转 。 基矢量为 ［ ｈ ｈ ｈ］ Ｔ ） 。 基矢量为 ［ 坐标原点在挥舞铰ｏ 相对于 Ｒ ｉ ｋ ｊ ｈ 绕ｙ ｈ 轴转动 （ ０＋ ｆ 处， ｆ ｆ ｆ］ β β Ｔ ， 。 ［ ］ 坐标原点在摆振铰ｏ 基矢量为 ｉ ｋ ｊ ｌ 处 相对于 Ｒ ｌ ｌ ｌ ｆ 绕轴ｚ ｆ 转动ζ Ｔ 坐标原点在变距铰ｏ 相对于 Ｒ ｉ ｋ ｊ ｌ 绕轴ｘ ｌ 转动 。 基矢量为 ［ ｐ 处， ｐ ｐ ｐ］ Ｔ 坐标原点在叶片上反ｏ 相对于 Ｒ ｉ ｋ ｊ ｓ 处， ０。 基矢量为 ［ ｓ ｓ ｓ］ ｐ 绕轴ｙ ｐ 转动ζ Ｔ 。 ［ ］ 叶片弹性轴上任一点 Ｐ 变形前坐标系 基矢量为 ｉ ｋ ｊ ｘ η ζ Ｔ ′ ′ ′］ 叶片弹性轴上任一点 Ｐ 变形后坐标系 。 基矢量为 ［ ｉ ｋ ｊ ｘ η ζ
第 ２ 期 陆 洋等 ： 水平轴风力机叶片气弹建模与响应分析
风力机叶片设计和稳定性分析
西北工业大学硕十学位论文
第一章 绪论
第一章 绪 论
＇ 研究背景及工程意义 １ ． １
一百年来， 能量需求特别是电能需求飞速增长。 今天， 人们所用电能的８％ ｏｏ 以上是由矿物燃料提供的， 可是矿物能源是有限的。ｏ ａ ｄ ｉ ． ｅ ｌ ｕ ｔｎ ａｄ ｃｓｏｓ ｈ ｔ ｌ ｐｒｉ ｒ ｅ ｗｎ ｔｂ ｅＳｖｒ ｃｌ ｌｉ ｓ ｄ ｕ ｉ ｅ ｅ ａｎ ａ ａ ｎ ｆ ｉ ｕ ｎ ｅ ａ ａ ａｏ ｎ ｉ ｓ ｎ ｒ ｃ ｓ
ａｏｔ ａｏｅ ｍ ｌ ａ ｃｒｅ ｏｔ ｔ ｂｓ ｏ ｔ ｅｐｒ ｅｔ ａ ｂｕ ｔ ｂｖ ｅａ ｐ ｒ ａｉ ｕ ｏ ｈ ａ ｆ ｘｅｍ ｎ ｄｔ ｉ ｈ ｅ ｘ ｅ ｅ ｒｄ ｎ ｅ ｅ ｈ ｅ ｉ ａ ｎ Ｎｅｒ ｇｓ ｗｎｉ ｅｓｒ ｔ Ｓｃｎｌ ａｒ ｍ ｎ ｂｔｅｎ ｒ ｕ ｆ ｍ ｅ ｉ ｉ ｅ ｈ ｉ ｇ ｉ ｏ ｅ ｅｏｄ ， ｅ ｅｔ ｗ ｅ ｔ ｅ ｌ ｒ ｔ ｄ ｇ ｃ ｄ ｋ ｔ ｆ ｐ ． ｙ ｇ ｅ ｅ ｈ ｓ ｔ ｈ ｅ ｏ
不单纯是流体力学问题， 而是气动弹性问题， 就是研究弹性体与周围气流之间的
相互作用。 颤振分析是涉及风力机运行安全性的重要问题， 尽管到今天对颤振发
作机理己有了较多的认识，但针对具体的实际现象仍很难给出准确的预测。
＇ 风力机气动弹性问题的发展和研究现状 １ ． ２
水平轴风轮桨叶作为弹性体在运行中由于气动力、 弹性力和惯性力的藕合作 用而引起的不稳定振动， 常常是导致结构破坏的重要原因之一。 因此， 单桨叶的 气动弹性稳定性问题一直是人们所关注的研究课题。 桨叶气动弹性计算大都采用 类似直升机旋翼的经典方法，考虑面外挥舞、面内摆振和扭转模态的组合． Ｈ ｕｏ 和Ｂｏｋ推导了没有预锥的扭转非均匀桨叶的挥舞— 扭转自由 ｏｂｌ ｒ ｓ ｔ ｏ 度祸合 微分运动方程川。 某些非线性项对气动弹性的影响是很重要的， 国内外研究者根 据一定的物理假设对这个复杂的物理问 题进行简化， 发展了许多简化解法和工程
风力机叶片气动弹性和颤振主动控制研究进展
风力机叶片气动弹性和颤振主动控制研究进展3杨树莲1,2,侯志强2,任勇生3,王灿林2(1.山东工商学院计算机基础部,山东烟台 264005;2.海军航空工程学院研究生大队,山东烟台 264001;3.山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛 266510)摘要:文中首先结合国内外研究进展情况概括总结了大型风力机叶片气动弹性等效梁建模理论,以及解决风力机叶片气动弹性稳定性问题的常用方法:BE M方法、动态失速模型和CF D方法。
其次,对在现代大型风力机叶片设计中颇受关注的,智能材料在风力机叶片结构颤振及振动主动控制中的应用研究现状也给予了简要的介绍。
最后指出一些尚待进一步研究的问题,以及今后的发展方向。
关键词:水平轴风力机;气动弹性;BE M;CF D;智能材料;颤振抑制中图分类号:O354 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2009)09-0001-03 风能是绿色、环保和可再生的能源。
在当今世界能源短缺,同时又突出强调环保的情况下,大力开发利用风能发电乃是普遍的趋势和潮流。
风力机的叶片作为摄取风能的关键部件,它的气动性能和结构性能直接决定风力机的工作效率和运行寿命。
随着风力机的大型化,势必寻求叶片的大型化、轻质化和长寿化。
由于大自然风力的随机性、叶片动力激扰的多样性、叶片变形之间及变形与气动力之间的耦合性,加之叶片经常要在失速工况下运行,决定了风力机叶片有着不同于普通叶轮机叶片的特殊动力学失效行为,其中,气弹耦合经典颤振、失速颤振对于现代大型柔性叶片无疑是最常见、最有危害的,颤振是由于作大范围空间旋转的柔性叶片弯扭耦合变形及其气动力与弹性变形的耦合造成的。
颤振交变应力会使叶片萌生疲劳裂纹导致其断裂,是发展现代风力机亟待突破的瓶颈问题。
在开展大型风力机叶片气动弹性理论和颤振主动控制研究中,一方面有助于深刻认识和揭示多种气动弹性现象发生的规律及其相互转换的条件和机理,为叶片的优化设计提供理论依据。
风力机叶片挥舞／摆振的动力失速非线性气弹稳定性研究
Ｓ Ｏ ｔ ）
（ １ ）
动力失 速气 动力 模型 一 。
Ｔ ｏ ｓｎ等 提 出基 于 截 面 模 型 的摆 振 模 态 阻 尼 ｈｍ ｅ 的实验识 别方 法 ； ａｍ ｓｅ Ｒ ｓ ｕｓｎ等 在 考 虑攻 角 和 气 流速 度 变化情况 下 ， 对动 力 失 速气 动 模 型 进 行 了 改 进 ； ｈ — Ｃ ａ
摘 要 ：研究动力失速风力机叶片的非线性气弹系统的稳定性。叶片结构采用具有挥舞／ 摆振耦合的典型截面模
型， 动力失速非线性气动 载荷 的计 算采用基于半经验 的 Ｏ Ｅ Ａ非定 常 、 Ｎ Ｒ 非线性 气动模 型。为 了减少 由于线性化 气弹稳
定性分析模型带来 的误差 ， 直接采用时间域数值积分法 ， 对叶片挥舞／ 振耦合非线 性气 弹方 程组进行 数值积分 ， 摆 研究 叶
基金项 目：山东省 自然科学基金资助项 目（ ２ ６ ） 山东省教 育厅科 Ｙ ０ ￣７ ； 技计划项 目（０ Ｌ ０ ） 国家 自然科学基金项 目（ ０ ７ １４ Ｊ８ Ｂ ４ ； １９２ ２ ）
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收稿 — １ 期 ２ － １ ｏ ０
所示 。旋转 叶 片挥舞 一摆振 耦 合 的 简化 运 动方 程 给 出 如 下 ：
风力机翼型挥舞摆振非定常气动特性分析
ｐ ｒｏ ｍ ａ ｃ ｆｔ ｅＮＲＥＬ ￥ ０ ｉｆ ｉ ａ ｈ ｙ ｏｄ ｕ ｂ ｒｏ １ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅｏ ｈ ８ ９ａｒｏｌ ｔｔ ｅＲｅ ｎ ｌ ｓｎ ｍ ｅ ｆ １× ０ ．Ｔｈ ｆｅ ｔ ｆｆ ｐ ｓ 。 ｅｅｆｃ ｓｏ ｌ ｗｉｅ ａ
ｅ ｇ ｗｉ ｎ ｏ ｉｅ ｌｐ ｌ ｄｌｇ ｏ ｃ ｌｔ ｎ ｎ ｔｅａ ｒｄ ｎ ｍｉ ｐ ｒｏｍａ ｃ ｆｔ ｅａｒ ｉ ｄ ｅ ｓ ａ ｄ ｃｍｂｎ ｄ ｆ ／ｅ － ｓｉａｉ ｓｏ ｈ ｅｏ ｙ ａ ｃ ｅｆｒ ｎ ｅ ｏ ｈ ｉ ｏｌ ｅ ａ ａ ａ ｌ ｏ ｆ
ｗ ｅ ｅａ ａｙ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅａ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｌ ｃｕ ｔ ｎ ｃ ｕ ｅ ｙｆａ ｗｉｅｏ ｃｌ ｔ ｎｉ ｒ ｎ ｌｚ ｄ ｅｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｅ ｏ ｙ ａ ｃｆ ｔ ａｉ ａ ｓ ｄｂ ｌｐ ｓ ｓ ｉ ａ ｉ ｕ ｏ ｌ ｏ ｓ ｍ ｕ ｈ ｌｒ ｅ ｈ ｎｔ ａ ａ ｓ ｄｂ ｄ ｅ ｓ ｓ ｉ ａｉｎ ｗｉｈｔ ｅｓ ｍｅａ ｌ ｕ ｅａ ｄｆｅ ｕ ｎ ｙ ｃ ａ ｇ ｒｔ ａ ｈ ｔｃ ｕ ｅ ｙｅ ｇ ｗｉｅｏ ｃｌ ｔ ｔ ｈ ａ ｍｐ ｉ ｄ ｎ ｒｑ ｅ ｃ ．Ｔｈ ｌ ｏ ｔ ｅ ｌ ｔｉ ｇ ｅ ｔｒｄ ｅｔ ｌ ｗ ｅ ａ ａｉｎ ｏ ｈ ｕ ｔ ｎ ｓ ｒａ ｅｏ ｈ ｉｆ ｉ ｗｈ ｎ ｔ ｅａｒｏｌｉ ｎ ｔｉ ｉ ｓ ｒ ａｅ ｕ ｏ ｆ ｆ ｏ ｓ ｐ ｒ ｔ ｎ ｔ ｅ ｓ ｃｉ ｕ ｆｃ ｆｔ ｅａｒｏｌ ｏ ｏ ｅ ｈ ｉｆ ｉ ｓ ｏ ｎ
第４卷 ５
第 ９ 期
西 安 交
通 大 学 学
报
Ｖｏ ． ５ ＮＯ ９ １４ ． Ｓ ｐ ２ １ ｅ． ０ １
风力机翼型动态失速的POD模型降阶方法
风力机翼型动态失速的POD模型降阶方法张震宇【摘要】A reduced-order modeling method is developed based on the proper orthogonal decomposition (POD) strategy. The low-speed incompressible air flow around a periodically pitching wind turbine air-foil is identified with the above method. The information from dominant modes in the dynamic stall pro-cedure is then extracted from the results of 2-D Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) computa-tion. The identification results are compared with the RANS data under the pre-specified threshold both for light stall and deep stall cases, and the error analysis is discussed as well. It is shown that the POD methods accurately identified the stall features of light pitching airfoil flow. However, the performance of the above methods may be affected for the deep stall case, due to the inaccuracy of turbulence models in the RANS solver.%利用本征正交分解(Proper orthogonal decomposition,POD)原理设计了一种针对风力机翼型动态失速的时变过程的辨识方法.首先对周期俯仰运动的风力机翼型流场的动态失速过程进行数值模拟,然后用上述方法进行了有效的辨识并从中提取了关于动态失速过程的主要模态信息.在给定的误差阈值下,分别针对浅失速和深失速的情况,将该降阶模型的辨识结果与数值计算原始结果进行了对比并对误差进行了相应的分析.结果表明,该降阶模型方法能够以明显降低的计算量精确辨识翼型的浅失速情况;对深失速的辨识会由于湍流模型的精度影响有所降低.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2011(043)005【总页数】4页(P577-580)【关键词】流体力学;风力机;动态失速;本征正交分解【作者】张震宇【作者单位】南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TK83;TK89随着全球范围内对于能源需求的不断扩大,传统形式的能源产业带来的巨大缺口正在被现代的可再生能源形式所填补。
风力机叶片非定常气动力降阶模型方法
风力机叶片非定常气动力降阶模型方法赵玲;冉景洪;吕计男;刘子强【摘要】A reduced order model is adopted for unsteady aerodynamic force of wind turbine blade to sim-ulate the additional unsteady aerodynamic force from the structure vibration coupled with fluid. The un-steady aerodynamic model of rotational elements is also established. The feasibility of the model is veri-fied by comptational fluiddynamic(CFD)method. Then the effects of some parameters, such as step am-plitude, wind velocity, and frequency, on the model are analyzed. The aerodynamic force modeling is further applied to multiple blade elements combined with structural dynamics equations to simulate the aeroelastic response of blade elements.%基于计算流体力学(Comptational fluid dynamic,CFD)的非定常气动力降阶模型方法,建立起叶段振动状态下的非定常气动力模型,用来模拟叶片变形与气流耦合作用下的附加非定常气动力,实现了叶段在旋转过程中的非定常气动特性建模.通过与CFD结果的校验,验证了方法的可行性,分析了模型对阶跃幅值、风速及振动频率等参数变化的敏感性,然后将方法推广至多叶段模型,并结合结构动力学方程给出多叶段模型的气动弹性响应历程.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2011(043)005【总页数】6页(P682-687)【关键词】风力机叶片;降阶模型;非定常气动力;气动弹性【作者】赵玲;冉景洪;吕计男;刘子强【作者单位】中国航天空气动力技术研究院,北京,100074;中国航天空气动力技术研究院,北京,100074;中国航天空气动力技术研究院,北京,100074;中国航天空气动力技术研究院,北京,100074【正文语种】中文【中图分类】TK83气动弹性分析是风机设计中不可缺少的重要内容,它一方面依赖于对叶片复杂结构特性的了解,另一方面则依赖于对空气动力特性的描述分析。
风力机叶片动态控制
风力机叶片动态控制风力机叶片动态控制风力发电是一种利用风能转换为电能的可再生能源技术。
风力机叶片的动态控制是提高风力发电效率的关键因素之一。
本文将逐步介绍风力机叶片动态控制的过程。
第一步，需要确定控制目标。
风力机叶片动态控制的主要目标是最大化风力机的发电效率。
这意味着在不同的风速和风向条件下，需要调整叶片的旋转速度和角度，以使其始终在最佳工作状态。
第二步，进行系统建模。
风力机叶片动态控制系统可以被建模为一个多输入多输出的控制系统。
通过分析风力机的动力学特性和叶片的运动响应，可以建立数学模型来描述风力机叶片的动态行为。
第三步，设计控制算法。
在确定了系统的数学模型后，可以根据控制目标设计相应的控制算法。
常用的控制算法包括比例-积分-微分（PID）控制器、模糊控制器和自适应控制器等。
控制算法的设计要考虑到风速和风向的变化，并根据实时数据对叶片进行调整。
第四步，开展仿真实验。
在进行实际控制之前，可以使用计算机仿真软件进行虚拟实验。
通过在仿真环境中输入不同的风速和风向条件，可以验证控制算法的有效性，并进行参数调整和优化。
第五步，进行实际控制实验。
在经过充分的仿真实验验证后，可以在风力机实际运行中应用所设计的控制算法。
通过与传统固定叶片风力机进行对比，可以评估动态控制系统对发电效率的改善程度。
第六步，监测和调整。
在实际运行中，需要对风力机叶片的动态控制系统进行监测和调整。
通过实时监测风速和风向等参数，并根据控制算法对叶片进行动态调整，以保持最佳工作状态。
总结起来，风力机叶片动态控制是提高风力发电效率的重要手段之一。
通过确定控制目标、建立系统模型、设计控制算法、进行仿真实验、实际控制实验和监测调整等步骤，可以有效地实现风力机叶片的动态控制，从而提高风力发电系统的效率和可靠性。
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第 ４ 卷 第 ５期 ３
２１ 年 １ 月 ０１ Ｏ
南 京 航 空
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大பைடு நூலகம்
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Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｎｉｇ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｒ ｎａ ｉｓ ８ ｔｏ ａ ｔ ｓ ｏ ｒ ａ ｆＮａ ｊ ｉ ｅ ｓｔ ｆＡｅ ｏ ｕｔｃ Ｌ ｎ Ａｓｒ ｎ ｕ ｉ ｃ
气 动 弹性 分析 是 风 机设 计 中 不可 缺少 的重要 内容 ， 一 方 面依 赖 于对 叶 片 复 杂 结 构 特性 的 了 它 解 ， 一 方 面 则依 赖 于对 空 气 动 力 特性 的描 述 分 另 析。 目前 风机 叶片 的气 动性 能设 计大 部分 主要采用
０Ｃ ． ２ １ ｔ ０１
风 力 机 叶片 非定 常气 动 力 降 阶模 型 方 法
强 赵 玲 冉 景 洪 吕计 男 刘 子
（ 国 航 天 空气 动 力 技 术 研 究 院 ， 京 ，００ ７ ） 中 北 ０ ４ １
摘 要 ： 于计 算 流体 力 学 （ ｏ ｔｔ ｎ ｌｌｉ ｄ ｎ ｍｉ， Ｆ 的非 定 常 气 动 力 降 阶 模 型 方 法 ， 立 起 叶段 振 动 状 基 Ｃ ｍｐａｉ ａ ｆ ｄ ｙ ａ ｃＣ Ｄ） ｏ ｕ 建 态 下 的 非 定 常 气 动 力 模 型 ， 来 模 拟 叶 片 变形 与 气 流 耦 合 作 用 下 的 附 加 非 定 常 气 动 力 ， 用 实现 了叶 段 在 旋 转 过 程 中 的非 定 常 气动 特 性 建 模 。通 过 与 Ｃ Ｄ 结 果 的 校 验 ， 证 了方 法 的 可行 性 ， Ｆ 验 分析 了模 型 对 阶 跃 幅 值 、 速 及 振 动 风
频 率等 参数 变 化 的敏 感 性 ， 然后 将 方 法 推 广 至 多叶 段 模 型 ， 结 合 结 构 动 力 学方 程 给 出多 叶段 模 型 的 气 动 弹 性 并
响应历程。
关 键 词 ： 力机 叶 片 ； 风 降阶 模 型 ； 非定 常 气动 力 ； 气动 弹性
中 图分 类 号 ： Ｋ８ Ｔ ３
ａ ｒ ｅ ａ ｔｃ ｒ ｓ ｏｎ ｅ ｏ ｌ ｄｅ ｅ ｅ ｅ ｓ ｅ ｏ ｌ ｓ ｉ ｅ ｐ ｓ ｆｂ ａ ｌｍ ｎｔ ．
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ｆ ｒｈ ｒ ａ ｐ ｉｄ ｔ ｕ ｔｐ ｅ ｂ ａ ｅ ｅ ｅ ｅ ｔ ｏ ｂ ｎ ｄ ｗｉ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌｄ ｎ ｍｉｓ ｅ ｕ ｔｏ ｓ ｔ ｉ ｌ ｔ ｈ ｕ ｔ ｅ ｐ ｌ Ｏ ｍ ｌｉ ｌ ｌｄ ｌｍ ｎ ｓｃ ｍ ｉ ｅ ｔ ｓ ｒ ｃ ｕ ａ ｙ ａ ｃ ｑ ａ ｉ ｎ Ｏ ｓ ｍｕ ａ ｅ ｔ ｅ ｅ ｈ
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ ５２ １ （０ １ ０— ６２０ １ ０ —６ ５ ２ １ ） ５０ ８—６
Ｒｅ ｕ ｅ ｄｅ ｏ ｌｆ ｒ Ｕｎｓ ｅ ｄｙ Ａｅ ｏ ｎ ｍ ｉ ｆ Ｗ ｉ ｒ ｎ ａ ｄ ｃ ｄ Ｏｒ ｒ Ｍ ｄｅ ｏ ｔ ａ ｒ ｄｙ ａ ｃ ｏ ｎｄ Ｔｕ ｂｉ ｅ Ｂｌ ｄｅ
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