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：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：海上风力机存在受船舶碰撞的风险隐患,一旦发生将导致风力机损伤甚至倒塌事故,造成严重经济损失,因此有必要对其进行防护设计以提高安全性。为此采用显示动力分析软件LS-DYNA,通过对防护装置设置通孔,研究孔数及相对角度对防护性能的影响。结果表明:设孔防护装置可延长船舶与风力机接触时间,强化能量转化效果,降低船舶回弹能量;三孔防护装置吸能效果最优,单孔与双孔结构设孔角度分别取50°,60°范围内,其吸能效果均优于无孔防护装置;在船艏撞击范围内设孔,可为橡胶材料提供额外变形空间,增强防护装置抗撞能力;多孔防护装置孔间材料承担主要变形吸能作用,合适的孔间距有助于提高防护性能;孔间距较小的防护装置能吸收较多能量,但易导致材料压溃失效。

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：为避免船舶-风力机碰撞造成巨大损失,提升海上风力机防护装置抗撞性能,将笛卡尔分形结构应用于橡胶及泡沫铝材料设计防护装置,基于非线性动力学理论,采用ANSYS/LS-DYNA模拟5000 t船舶碰撞安装分形结构橡胶、泡沫铝防护装置4 MW单立柱三桩海上风力机基础过程,对比分析研究不同材料防护装置采用分形结构后防护性能优劣。结果表明:较橡胶材料,泡沫铝防护装置吸能效果更好,显著提升防护装置能量耗散能力;分形结构作用于不同材料具有不同表现,应用于泡沫铝材料降低接触力效果更显著,而应用于橡胶在提升耗能、降低塔顶响应方面表现更佳。

摘要：为改善垂直轴风力机气动特性,对凹槽-襟翼开展研究。以NACA0021翼型为研究对象,采用正交试验设计对格尼襟翼高度、格尼襟翼位置及凹槽直径等参数进行组合,通过数值计算对垂直轴风力机气动性能与流场结构进行研究,分析凹槽-襟翼流动控制机理及对垂直轴风力机的作用效果。结果表明:格尼襟翼高度是影响垂直轴气动性能的主要因素,且襟翼高度为1.75%c、位置为1.50c及凹槽直径为1.50%c时效果最佳;同时,凹槽-襟翼通过改变尾缘库塔条件以加速翼型吸力面流体流动,从而改善流动分离,增加翼型表面压差,提高垂直轴风力机气动性能;凹槽-襟翼在低尖速比时对垂直轴风力机作用效果较明显,当尖速比为2.33时,凹槽-襟翼垂直轴风力机平均风能利用系数较原始翼型最大可提高35.82%。

摘要：针对传统水动力学求解软件与其他数值分析代码不能充分考虑叶片气动载荷分布、涡尾迹结构以及风波耦合效应。通过STAR-CCM+中具有叠加运动和悬链线系泊求解器的动态流动相互作用模块建立一套气动-水动-系泊完全耦合动力学方法,开发较为可靠的漂浮式风力机数值模型。通过分析平台自由衰减曲线、6自由度响应以及风轮气动性能验证了所提耦合模型的可靠性;三维可视化流场分析表明,漂浮式风力机在波浪载荷作用下产生6自由度运动,叶片表面与涡管产生的脱落涡与塔架、机舱后方尾涡相互作用,加剧流场复杂性。结果可为漂浮式风力机流场优化与设计提供一定理论参考。

摘要：以近海DTU 10 MW单桩式大型风力机为研究对象,采用Kaimal风谱模型模拟湍流风场,根据P-M谱建立波浪模型,选取实测地震位移数据为地震载荷,基于非线性弹簧单元和p-y曲线构建土-结构耦合效应模型,并对不同环境载荷下风力机进行动力学响应及屈曲分析。结果表明:风浪和地震载荷分别为引发风力机塔顶前后向及侧向位移的主要载荷;塔架一阶模态为不同环境载荷下风力机动力学响应主要参与模态;环境载荷联合作用下塔顶更易发生局部屈曲,结构设计时应重点关注此处;必须考虑风浪震重力载荷联合作用,否则难以准确预估风力机结构动力学响应及判断结构稳定性。