考虑风-沙双向耦合作用大型风力机体系气动力分布研究

大型风力机体系属于典型风敏感结构,在风沙条件下易产生极端荷载效应,沙粒的附着亦会影响风的湍流特征并对体系产生附加冲击力,现行规范和文献均缺乏对大型风力机体系风-沙运动特征的系统研究。以南京航空航天大学自主研发的5 MW水平轴风力机为对象,采用改进的k-ε湍流模型模拟来流风场,同时添加DPM自定义沙粒模型实现与来流空气的双相耦合,基于中、强、特强沙尘暴天气典型风速与沙粒粒径的组合工况,系统分析风-沙共同作用下水平轴风力机叶片与塔架的三维流场特性、表面沙粒分布、压力系数与载荷分布,最终提炼出风-沙荷载特征值随环境参数的变化规律。研究表明:相较于风荷载,沙荷载主要对风力机塔架中下部产生冲击作用;风沙共同作用后,大粒径沙粒在风力机塔架迎风面底部产生的荷载效应尤为显著,部分区域沙压系数可达0.517;沙粒冲击荷载与风荷载的比值最高可达22.57%。主要研究结论可为大型风力机结构风沙荷载取值提供科学依据。