风力机叶片气动弹性工程简化模型的探索分析

为了在工程应用中快速方便地处理风力机叶片的气动弹性问题,往往需要将具体的风力机叶片进行适当的简化处理。该文由此目的出发,通过对以往经验的归纳分析,得到在地面固有频率测试时风力机叶片模型可简化为以相对半径0.500处截面为特征截面的等截面梁,而实际工况下的风力机叶片模型可简化为以相对半径0.875处截面为特征截面的等截面梁,以方便今后风力机叶片气动弹性问题的快速工程建模分析。最后与风力机工程中解决叶片气动弹性问题惯用的建模方法进行比较,以验证其合理性。

水平轴风力机叶片气动弹性稳定判别数的探索分析

为方便今后风力机叶片气动弹性稳定性问题的判别,进而得到工程上快速应用的方法,通过推导分析得到水平轴风力机叶片气动弹性稳定判别数Shy。结论表明Shy与材料属性、材料分布和叶片运动状态密切相关。最后将应用气动弹性稳定判别数Shy得到的结论与叶片气动弹性问题数值计算的结果进行比较,验证了Shy的合理性。

串列梯形柱绕流水动力特性数值分析

该文采用数值模拟分析了雷诺数为150和间距比为3的串列双梯形柱绕流水动力特性。当梯形柱背流面与迎流面长度比为d/D=0、0.3和0.5时,双柱的上侧旋涡融合,在尾部形成了不对称的P+S泄涡模式,导致下游柱体承受的平均升力偏离零值。d/D=0.7的双梯形柱泄涡转变为2S模式,表现为上游柱体旋涡与下游柱体旋涡融合后交替脱落。双方柱(d/D=1)间隙以及下游方柱尾部均形成了准静态涡,剪切层有小幅摆动,但未卷曲形成旋涡。d/D=0和0.3时,上游柱体后方由于边界层再附着形成了次生涡,增大了局部压力。随着d/D的增大,上游柱体旋涡形成长度增长,双柱间隙流动趋于稳定,下游柱体前缘的横向速度脉动逐渐减弱,其后方的尾迹也趋于对称。上游柱体的遮蔽效应使其平均阻力大于下游柱体,而间隙流的不稳定性与边界层的交替再附着使得下游柱体升力偏大。双方柱绕流场处于拟稳定状态,其水动力系数远小于三棱柱和梯形柱。相较于双圆柱,三棱柱和梯形柱的边界层分离点靠前,增大了绕流的升阻力。

附加开式平板叶片的圆柱流致旋摆响应数值研究

该文对Re=150时,附加开式平板叶片的圆柱流致旋摆响应进行了数值模拟,分析了叶片数量(n=1-5)对旋转模式、流场特性和水动力系数的影响。结果表明,结构调稳后,将围绕新的旋摆平衡位置往复摆动,该平衡位置和初始位置之间的夹角与叶片的数量有关。模拟发现了三种响应模式:(1)类静止模式(n=2和4),摆幅几乎为零,相较于单圆柱升力减小接近100%。但n=2和n=4的原因不同,n=2时,涡量带呈对称分布,圆柱后方存在更长的回流区;而n=4时,尾涡泄放的位置位于圆柱下游五倍直径处,对近尾迹区的影响小,后端上侧叶片后方出现了较长的回流区。(2)小幅摆动模式(n=1和3),n=1时,叶片旋转到圆柱后方,摆幅为3.723°,尾涡与裸柱没有明显差异;n=3时,前端叶片分割来流,后端两叶片对称分布,结构稳定性增强,摆幅减小为1.498°。圆柱表面的旋涡脱落被抑制,叶片上泄放的旋涡以双排涡的形式向下游迁移。(3)大幅摆动模式,n=5时结构摆幅达到15.575°,前端叶片上分离的边界层再次附着于后端叶片或圆柱,并与后端叶片及圆柱的剪切层共同作用,使得圆柱后方近尾流场更为复杂,旋涡的耗散及合并行为频发。从机械能的捕获角度出发,推荐附加叶片数量为1,此时系统获得较大的摆幅、较高的摆动频率且摆动周期性更强。此外,还以n=2为例,探究了初始位置(α=0-90°)对旋摆平衡位置与摆幅的影响,模拟发现旋摆平衡位置与初始攻角无关。当初始位置与平衡位置重合时,摆幅最小;当二者不重合时,转动引起旋涡不规则脱落,旋涡的融合位置提前,导致了摆幅的增大。