摘要：以某5 MW风力机为研究对象,基于大涡模拟方法,考虑不同叶片桨距角大型风力机体系表面流场信息和气动力分布模式进行模拟,并与规范及实测结果进行对比验证大涡模拟的有效性。在此基础上,对比分析不同叶片桨距角下风力机塔架及叶片表面平均和脉动风压、升力与阻力系数、绕流及尾流特性的分布模式,总结叶片桨距角和干扰对风力机体系气动性能的影响规律。研究表明:随着叶片桨距角的增大,叶片迎风面正压分布区域逐渐减小,塔架显著干扰区段迎风面0°和侧风面90°处的平均风压、极值风压逐渐增大,而脉动风压逐渐减小,层升力系数减小,阻力系数增大。塔架未干扰区段平均风压、脉动风压、极值风压和层阻力系数均未呈现明显变化,在桨距角较大(70°~90°)时,叶片尾迹对塔架绕流影响逐渐减弱,塔架气动力分布与未受叶片变桨和干扰时较为接近。综合分析表明,叶片桨距角为0°时,叶片和塔架之间的相互干涉作用最为明显,风力机体系气动性能最为不利。

摘要：以某5 MW大型风力机为对象,首先基于大涡模拟(LES)技术进行考虑不同叶片桨距角影响的大型风力机体系非定常流场和气动力模拟,并与规范及实测结果进行对比,验证大涡模拟的有效性。在此基础上,结合有限元方法系统分析不同叶片桨距角下风力机塔架-叶片耦合体系的动力特性、风振响应、屈曲稳定性能和极限承载能力。研究表明:0°叶片桨距角下塔架显著干扰区段迎风面0°处出现负压,叶片顺风向位移响应极值最大值为3.98 m。随着叶片桨距角的增大,塔顶径向位移、各叶片顺风向位移和叶根剪力的均值和均方差均呈逐渐减小的趋势,且叶片桨距角在30°~50°范围内出现显著变化。叶片桨距角为0°时风力机体系风致响应最为不利,当叶片桨距角为90°时,体系屈曲性能和极限承载力最为不利。

摘要：叶片偏航和干扰会显著改变大型风力机表面气动力分布模式,进而影响风力机体系的风振响应和稳定性能.以某5 MW大型风力机为研究对象,首先采用大涡模拟(LES)方法进行了最不利叶片位置下考虑6个偏航角(0°、5°、10°、20°、30°和45°)影响的风力机体系流场和气动力模拟,并与规范及国内外实测结果进行对比验证了大涡模拟的有效性.在此基础上,结合有限元方法系统分析了不同偏航角下风力机塔架-叶片耦合模型的动力特性、风振响应和稳定性能.结果表明:不同偏航角下塔架径向位移均值和均方差的最大值均出现在塔架环向0°和180°处,最大塔底弯矩均出现在环向20°处.0°偏航时各叶片顺风向位移响应极值均大于2.7 m,随着偏航角的增大,塔架顶部径向位移、叶片顺风向位移和叶片根部内力的均值及均方差均逐渐减小,而临界风速则呈现先减后增再减小的趋势.综合表明:0°偏航角下风力机体系气动性能和风振响应均最为不利,45°偏航角下风力机体系的稳定性能最为不利.

摘要：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。

摘要：强风停机状态下叶片位置会显著影响风力机塔架的绕流及稳定性能,尤其在沙尘暴极端天气条件下,沙粒的附着也会影响风的湍流特征并对塔架产生附加冲击力,现有工作均缺乏风-沙耦合作用对大型风力机体系气动性能及结构响应的探索。以南京航空航天大学自主研发的5 MW水平轴风力机体系为对象,以风-沙双向耦合算法为核心,基于CFD技术分别采用连续相和离散相模型进行典型风场和沙粒组合的同步迭代模拟。考虑叶片单个旋转周期内8个停机位置,对比分析了风力机塔架表面等效压力系数和气动载荷分布特性;结合有限元方法系统探讨了不同停机位置下风力机体系动力特性、风-沙致结构响应和屈曲稳定性能。研究表明:风-沙耦合环境下沙粒在风力机塔架迎风面底部产生的荷载效应最为显著,部分区域沙致压力系数可达0.55,沙粒冲击荷载与风荷载的比值最高可达23.7%;不同停机位下风荷载均对塔架结构响应起主导作用,但沙粒冲击作用在塔架底部的放大效应不可忽视。