风能利用中的空气动力学研究进展Ⅰ：风力机气动特性

随着世界各国纲领性行业政策的积极制定,风电行业将继续高速发展。风电机组大型化（达到多兆瓦级甚至十兆瓦级）、海洋化（从陆地扩展至海上）、智能化（辅以智能化结构、材料和控制策略）、数字化（精准预测和实时感知调控）是风电发展的大趋势。空气动力学研究作为风力机技术研发的首要任务,由此将面临一系列新的问题和挑战。本文以水平轴风力机为研究对象,就其风能利用中的空气动力学问题进行探讨,本篇为第一部分“风力机气动特性”。首先分析其空气动力学问题的复杂性及原因;然后,针对风力机专用翼型的气动特性、风力机气动特性、现代化风力机设计（特别是海上风电技术、台风问题、大叶片气弹问题）与流动控制等关键空气动力学问题,从理论分析、数值计算、风洞实验和外场测量等多种研究手段与技术着手,对其研究现状及取得的关键进展进行综述和讨论;最后对今后的研究方向进行分析与展望,为大尺寸风力机叶片设计提供参考。     

参数对风力机气动噪声的影响研究

基于现有风力机噪声预测的半经验模型,本文数值研究了几种重要参数对风力机噪声的影响。将在该模型中加入叶尖损失修正方法,以便更好地提高叶尖区域涡脱落噪声的预测能力。运用本文发展的风力机噪声预测方法,重点讨论了风力机叶片翼型、叶尖桨距角、旋转角速度以及叶片后缘厚度等对风力机噪声的影响,分析了不同频率区域内噪声级的变化规律,以及A-加权的总声功率级、总声压级的变化,这些影响规律可为低噪声风力机设计与制造提供一定的技术参考,从而有助于风力机降噪技术的研究。     

基于有理谱法的大气紊流仿真及应用研究

根据飞行仿真、控制律设计等应用需求,采用有理谱法建立了基于大气紊流Von Karman模型的有理式模型结构。对不同阶次有理式模型精度的对比分析研究表明,五四模型在整个频率范围内更为接近Von Karman模型。采用五四模型可更为精确地反映大气紊流高频特性对弹性飞行器运动及弹性振动特性的影响,并将五四模型应用于飞行仿真,分析了大气紊流对飞机纵向运动的影响。研究结果表明,该模型具有工程实用性。     

基于非定常RANS方程的刚性旋翼流场分析

为了掌握刚性直升机旋翼在高速飞行条件下的关键气动特性,本文通过求解三维非定常雷诺平均N-S(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS)方程并基于多块结构化网格有限体积方法(Finite volume method, FVM)对直升机旋翼悬停及前飞状态的复杂绕流流场进行了数值模拟,讨论了动态流动分离、展向流动影响及反流等复杂气动特性的影响。分析了旋翼总距对气动载荷的影响及后行阶段的非定常反流效应,并分别揭示了该旋翼在悬停和大速度前飞状态下显著不同的气动力规律。数值计算表明,悬停状态该旋翼拉力值随总距线性增大,而在大前进比(Advancing ratio, AR)飞行时,其后行侧桨叶根部反流导致截面非常规压力分布,拉力主要由前行侧桨叶提供。数值预测结果与风洞试验结果的比较显示了良好的一致性。     

三维旋转效应对叶片非定常气动特性的影响

在旋转的作用下，流动分离向下游延迟，结果大大改变了风力机叶片的气动特性，这种由旋转所带来的影响被称为三维旋转效应。本文以叶片表面边界层理论分析的结果为基础，给出了三维旋转效应对气流分离影响的解析关系，使得这一复杂问题可以方便地解决，为准确计算旋转叶片的气动栽荷提供基础。通过算例表明，当这一三维旋转效应应用于叶片非定常气动特性计算时，能大大改善计算结果。     

风力机变速变桨的LQG/LTR鲁棒控制

针对变速变桨风力机实际工况下同时存在外界输入噪声及内部测量噪声的问题,采用线性二次型/回路传输恢复(Linear quadratic Gauss/loop transfer recovery,LQG/LTR)方法设计改善某风力机叶轮转速及塔架前后弯曲模态的控制器,增强风力机系统在随机干扰下的鲁棒性能。根据风力机空气动力学的圆盘理论和叶素理论,求解风力机受到的扭矩和推力。基于变速变桨风力机的线化模型,分别进行LQG和LQG/LTR控制器设计,分别仿真输出风力机的叶轮转速、塔架塔顶位移和桨距角时间变化曲线。仿真结果表明,LQG/LTR控制器在满足系统控制目标的情况下,可显著提高风力机系统的鲁棒性能及稳定性。     

基于自由涡尾迹和遗传算法的叶尖小翼气动优化设计

风力机叶片采用分裂式叶尖小翼可以改善叶片的气动性能。以风能利用系数最大和风轮推力系数最小为目标,采用自由涡尾迹(FVW)方法与快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)耦合对小翼的形状进行优化设计。NS-GA-Ⅱ算法对每一代种群进行评价、筛选和变异,最终得到小翼形状的Pareto最优解集,其中气动性能评价目标通过FVW方法计算。结果表明,FVW模型能够较准确的模拟叶片的气动性能;两目标优化给出的不是传统优化方法追求的单个最优解,而是一个Pareto最优解集,且分布在一条曲线上;相比NREL原始叶片,风能利用系数最高能提高30%;小翼的几何形状在最优解集下分布具有一定的规律性,对后面的设计及改型有很好的指导性作用。     

三维旋转效应对桨叶气动特性影响的计算

在旋转的作用下,流动分离向下游延迟,结果大大改变了风力机桨叶的气动特性,这种由旋转所带来的影响被称为三维旋转效应。本文以桨叶表面边界层理论分析的结果为基础,给出了三维旋转效应对气流分离影响的解析关系,将其与非定常气动和动态失速模型相结合,并适当考虑旋转条件下桨叶翼型载荷的分布特性,使其能计算三维旋转效应下风力机桨叶的非定常气动特性.通过算例表明,当这一三维旋转效应模型与非定常动态失速模型耦合后再计算桨叶非定常气动特性时,能大大改善计算结果。     

基于有理谱法的大气紊流仿真及应用研究

根据飞行仿真、控制律设计等应用需求,采用有理谱法建立了基于大气紊流Von Karman模型的有理式模型结构。对不同阶次有理式模型精度的对比分析研究表明,五四模型在整个频率范围内更为接近Von Karman模型。采用五四模型可更为精确地反映大气紊流高频特性对弹性飞行器运动及弹性振动特性的影响,并将五四模型应用于飞行仿真,分析了大气紊流对飞机纵向运动的影响。研究结果表明,该模型具有工程实用性。