摘要：为了研究狂风暴雨环境中大型风力机在复杂工况下的流场特性和气动性能,以南京航空航天大学自主研发的5 MW风力机塔架-叶片体系为例,采用计算流体动力学(CFD)技术开展最不利叶片停机位置下考虑6个偏航角(0°、5°、10°、20°、30°和45°)影响的风力机风场模拟,添加离散相模型(DPM)开展风-雨耦合同步迭代计算,对比研究不同偏航角对风力机周围风场和雨场特性的影响规律.建立不同偏航角下的风-雨等效压力系数新模型,给出相应的公式,针对风雨作用下的不同偏航角工况塔架和叶片表面等效压力系数进行系统分析.研究结果表明,附加雨荷载效应对该类风力机叶片迎风面和塔架迎风面两侧各40°区域内压力的影响不容忽视.

摘要：以南京航空航天大学自主研发的5 MW水平轴风力机为研究对象,首先基于CFD技术模拟了不同偏航角(0°、5°、10°、20°、30°和45°)下风力机体系周边风场,验证风场有效性后添加离散相模型(DPM)并进行风-雨双向耦合迭代计算,然后对比研究不同偏航角对塔架和叶片表面风驱雨量、雨滴附加作用力以及等效压力系数等的影响规律。在此基础上,结合有限元方法重点对风作用和风雨共同作用下不同偏航角工况的大型风力机体系结构响应、屈曲稳定以及极限承载能力等进行定性和定量的对比分析。研究表明:偏航角的改变会显著影响风力机体系的流场特性与受力性能,风-雨荷载共同作用增大了体系结构位移以及内力响应,同时降低了风力机整体屈曲稳定和极限承载能力。上述结论可为此类风力机在极端气候和复杂工况下的荷载预测提供参考。

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：叶片偏航和干扰效应会显著影响大型风力机下游塔架的气动性能。以某5MW风力机塔架–叶片体系为研究对象,采用大涡模拟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°）影响的风力机塔架流场和气动力模拟,并与规范及国内外实测结果进行对比验证大涡模拟的有效性。在此基础上,对比分析不同偏航角对风力机塔架不同干扰区段表面平均风压、脉动风压、升力系数、阻力系数、绕流和尾迹特性的影响。对比发现：随着偏航角度的增大,塔架显著干扰区段最大负压和极值负压先减小后增大,层阻力系数逐渐增大,而塔架未干扰区段最大负压、极值负压和层阻力系数均未呈现明显变化,随着塔架显著干扰区段高度的增加,不同偏航角下层阻力系数均呈现先减小后增大的趋势。综合表明,0°偏航角下塔架气动性能最为不利,随着偏航角的增大,塔架绕流和尾迹影响逐渐减弱,当偏航角达到45°时,塔架气动力与未受叶片偏航和干扰时较为接近。研究结论可为偏航状态下大型风力机塔架设计风荷载取值提供一些科学依据。

摘要：为研究强台风下考虑偏航效应的大型风力机气动力及动态响应特征,以美国可再生能源实验室5 MW风力发电机组为研究对象,基于多体动力学及混合多体系统建模方法,建立了整机刚-柔混合多体动力学模型,并对该模型进行了动力特性分析与模型有效性验证。同时,基于谱分解法模拟了台风眼壁区域强干扰阶段的三维随机风场,并基于叶素-动量理论对7种偏航工况下风力机体系气动力进行数值模拟,分析了偏航对强台风下整机气动荷载的影响。最后,基于多体动力学模型对考虑不同偏航的大型风力机体系进行了动力时程分析,提炼了偏航对于结构风致响应的影响规律。结果表明,本文建立的多体动力学模型使用较少的自由度能有效描述了5 MW大型风力机的动力特性;当大型风力机处于30°和120°停机偏航角时,结构的台风致风荷载和风振响应显著增大,属于典型的不利工况,应在风电场实际控制时予以避免。主要研究结论可为强台风极端风况下大型风力机抗风设计提供科学依据。