大型兆瓦级风力机气弹耦合数值模型研发及应用

为探究大型兆瓦级风力机柔性叶片非线性气弹特性,揭示叶片大范围空间运动与气弹响应耦合机制,该文提出一种用于分析风力机气动性能、模态特征、气动阻尼及动态响应的实时双向气弹耦合研究方法。将叶素动量理论、混合梁理论、Lanczos模态分析法及修正的Newmark-β位移迭代法有效结合,通过MATLAB编程实现柔性叶片气动载荷、弹性变形和空间运动之间的气弹耦合仿真。经与美国可再生能源实验室公开实验数据及Bladed软件计算结果对比分析,发现最大相对误差仅为-2.77%,证实本文气弹模型准确可靠。研究发现,气弹耦合对轴向和切向气动力影响显著,对气动阻尼的影响从叶根到叶尖逐渐增强。气弹耦合导致叶片气动载荷及动态响应降低的原因是平面外结构变形。该文数值模型相比风力机专用软件Bladed增加气动阻尼和气弹耦合模块,计算结果满足与Bladed软件计算结果偏差不大于5%的要求,对柔性叶片气弹稳定判定、风力机整机刚柔耦合动力学仿真的实现具有重要意义。

实现气动-弹性耦合模拟的风机模拟器

由于风机模拟器(wind turbine simulator,WTS)一般采用简化气动模型(即Cp-λ-β曲面)模拟风轮的气动特性。这不仅会影响气动转矩的计算准确性,而且无法再现大型风机具有的气动-弹性耦合特性。为此,针对美国国家可再生能源实验室(NREL)开发的开源风机仿真软件FAST(fatigue,aerodynamics,structures,and turbulence),剖析了其运行原理和程序结构,在此基础上将FAST中的气动计算代码提取、封装,并结合WTS的实测转速信号,在WTS上实现了基于FAST代码的风轮气动-弹性耦合模拟。这使得WTS能够更加逼真地输出风轮气动转矩,而且可以提供更丰富的气动载荷数据。NREL CART-3600 k W风机的动模实验表明,移植FAST代码的WTS能够实现更真实、全面的气动模拟效果。

倾转旋翼机风洞试验综述

倾转旋翼机是下一代旋翼类飞行器发展的重点方向,其综合了旋翼机和固定翼飞机的优点,但也带来了更加复杂的空气动力学、结构动力学、飞行力学以及气弹耦合问题。风洞试验是认识和研究倾转旋翼机关键气动、结构和飞行问题的重要技术手段,针对国内外倾转旋翼机发展过程中的大量风洞试验进行了综合研究,给出了倾转旋翼机旋翼及其翼型、旋翼/机翼气动干扰、旋翼/机翼气弹稳定性、虚拟飞行等多种类型的试验模拟准则、设备设施、典型结果及主要结论,并结合国内倾转旋翼机的研发需求,提出了国内倾转旋翼机风洞试验技术的发展建议。