摘要：垂直轴风力机因其易大型化优势逐渐成为研究热点,但涉及结构方面的研究较为有限。因此,以5 MW垂直轴风力机为研究对象,提出了满足结构性能需求的叶片及支撑杆复合材料铺层设计方案。通过计算流体力学方法获得极端环境下气动载荷并加载至风力机表面,利用有限元方法对其进行静力学及模态分析。结果表明,提出的风力机叶片、支撑杆及塔架等主要结构部件在极端载荷下有足够的安全性,其最大位移位于叶片尾缘顶部,最大应力位于塔架与支撑杆连接处,最大应变位于与支撑杆接触的叶片腹板;停机迎风状态下垂直轴风力机风轮仍存在较强的扭转载荷特征;风轮工作频率小于风力机1阶固有频率,且其相对差超过10%,风轮在额定条件下不会发生共振。

摘要：为应对风力机叶片大型化带来的高结构性能需求,利用植物叶脉与叶片结构功能的相似性,借鉴植物叶片叶脉分布特征,提出一种新型风力机叶片铺层设计方法。通过计算流体力学与有限元方法对仿生叶片进行模态、结构强度及稳定性分析。结果表明:相较于传统叶片,仿生叶片固有频率增加且抗扭转特性更强;仿生叶片叶尖位移量大幅降低,表面应力值减小,但腹板应力有所增加;仿生叶片前六阶屈曲因子与传统叶片相比均有所增加,表明植物叶脉结构有利于提高叶片稳定性。该文可为风力机叶片大型化提供一定的参考价值。

摘要：为提高大型风力机叶片结构强度,已逐渐使用碳纤维材料替代传统玻璃钢纤维应用于铺层设计中,但碳纤维高昂的制造成本使其难以覆盖叶片整体区域。因此,研究叶片碳-玻纤维铺层材料混掺比例及相对位置对结构性能的影响有助于获得高性能、低成本的风力机叶片。通过Ansys软件调整叶片主梁对应位置的碳纤维和玻璃钢材料比例与铺设相对位置,并采用计算流体力学方法与有限元方法相结合的方式对其进行结构静力学、模态及屈曲分析。结果表明,叶片主梁使用碳纤维与玻璃钢纤维混掺铺层可获得与纯碳纤维叶片相近的性能表现;当碳纤维接近叶尖时,可提高叶片1阶模态和屈曲因子;而当碳纤维接近叶根时,对叶片最大应力应变方面的影响较小;在确保叶片稳定及抗共振性能的前提下,当碳纤维与玻璃钢纤维铺层比例为3∶1且碳纤维接近叶根时,叶片综合性能最佳。

摘要：翼型动态失速会在吸力面形成前缘失速涡导致气动力波动，严重影响风能捕获效率。气动形状优化提供了一种有效方法延缓翼型动态失速特性。然而，采用计算流体动力学(CFD)模拟进行多次评估使得优化过程的计算成本很高。因此，本文提出了一种基于代理的优化(SBO)技术，以减轻计算负担。通过对S809风力机翼型的优化，验证了该框架的可行性。由于优化翼型厚度和前缘半径的增加，抑制了尾缘涡向前缘的发展。与基准翼型相比，优化后的翼型在一个振荡周期内的平均阻力系数和弯矩系数分别降低了23.91%和17.62%，而升力系数并未减小。最后，利用Sobol指数对设计变量进行全局敏感性分析，揭示了对翼型动态失速特性影响最大的几何参数及其相互作用。

摘要：风力机叶片设计的目标多样性使得传统单一目标设计方法无法满足设计要求,大型风力机的高发电量与大负载之间的矛盾必须得到平衡。为此,以年发电量最大和叶片质量最轻为优化设计目标,通过多目标遗传算法设计5 MW大型风力机叶片,得到Pareto分布优化解集。与美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)设计的5 MW风力机叶片比较,结果表明,Pareto优化解集均一定程度优于参考叶片,年发电量最大提高量为3.3%,最大质量减少量为8.7%,其中优化设计叶片2在质量降低3.8%的基础上,提高了3%的年发电量,达到了优化设计的目的。优化设计叶片额定风况下推力系数和叶根弯矩均更小,最大功率系数更大。变风况下功率特性与参考叶片相差不大,低风速下设计叶片输出功率略高,推力系数更小。

摘要：为避免风力机叶片设计陷入局部最优解,通过Bezier参数化曲线定义叶片弦长及扭角分布规律,采用遗传算法优化曲线控制点位置,以年发电量最大为优化目标,全局寻优叶片外形参数,并与Wilson设计叶片比较。分别计算两种设计叶片在额定风况及变风况下的气动性能,结果表明:通过遗传算法设计的叶片弦长、扭角更小;额定风况下,遗传算法设计叶片推力系数更小,最大功率系数更大;变风况下,两种设计叶片输出功率相差不大,但Wilson设计叶片的叶根弯矩和风轮推力更大,整个工作风速区平均为4.7%和7.3%。

摘要：为提升风力机翼型气动性能,提出无需外界气源的吹吸结合射流(blow-suction combined jet,BSCJ)流动控制方法。以NACA0021为基础翼型,利用正交设计对吸气缝距前缘距离、吹气缝距尾缘间距及射流动量系数等几何与流动参数进行优化设计,研究了BSCJ对翼型不同攻角下升阻力系数、流场结构、压力系数及边界层速度的影响,以分析其控制机理和影响规律。结果表明:BSCJ主要通过移除翼型吸力面低动量流体和改变尾缘库塔条件以延后翼面分离点,从而显著增加翼面两侧压差,最终提升翼型气动性能。此外,射流动量系数是影响翼型气动性能的主导因素,且当吸气缝距前缘0.2c、吹气缝距尾缘0c及射流动量系数为0.01时为最优,该组合在0~24°攻角升阻比增益较大,具有良好的经济性。

摘要：翼型是机翼以及风力机叶片等叶轮机械设计的基本元素,为有效抑制翼型表面流动分离以提高风力机气动性能,可在其吸力面加装类似鸟类羽毛的仿生翅片。通过数值模拟研究翼型周围流场结构,提出角度系数法,用于确定仿生翅片的安装角度,并进一步分析翼型噪声特性。结果表明:在流动分离状态下,位于最佳抬起角度的仿生翅片可有效阻止分离前移,延缓失速攻角,缩小尾缘脱落涡尺度,最大升力系数提高21%左右;同时,翅片翼型主频声压级减小约23.5dB,周向总声压级呈偶极子分布且明显降低。所得结果可为角度系数法的工程应用提供一定参考。

摘要：为获得具有优良气动性能且兼具结构强度的风力机翼型,以运行攻角下升阻比与截面扭转惯性矩最优为目标函数,利用遗传算法对翼型进行优化设计,提出一种兼顾气动与结构特性的翼型设计方法。通过Bezier曲线表征翼型几何轮廓,采用CFD方法求解翼型气动力,利用Matlab编写程序获得翼型结构特性;建立Kriging代理模型减少CFD计算次数,并采用拉丁超立方采样和EI加点相结合的方式提高优化效率。将优化翼型与风力机翼型NACA64618对比分析,结果表明:优化翼型在运行攻角范围内具有更佳的气动性能,且优化后叶片的摆振位移与叶尖扭转角分别减小23.446%与17.544%。

摘要：流动分离导致翼型升阻比大幅下降,严重影响翼型气动性能并引起叶片结构疲劳。为解决传统流动控制方法的缺点,基于鸟类在大风气候条件下飞行及降落过程中,其翅膀表面羽毛形变以增加飞行过程平稳的现象,提出一种附于翼型吸力面的柔性气动弹片的被动流动控制方法以抑制大分离流动。采用高精度三维计算流体动力学(computational fluiddynamics,CFD)模型与有限元(finiteelementmethod,FEM)相结合的流固耦合数值模拟方法,研究具有不同结构属性的弹片对翼型流动控制能力的影响。研究证明了弹片对前缘失速翼型具有增升减阻作用。提出弹片结构分段设计方法,对整体抗弯刚度不同的弹片进行研究,分析弹片控制效果与其抗弯刚度的变化规律,并对柔性弹片控制过程进行时域分析,深入研究弹片流动控制机理。采用模态分析与功率谱分析方法,对弹片结构进行了可靠性验证。