漂浮式风力机动态响应及气动特性研究

【摘要】随着海上风电的快速发展,漂浮式风力机作为一种有效开发海上风能的新技术逐渐受到广泛关注。漂浮式风力机可以在海洋环境中自由运动,而且时刻受到波浪的影响,因此始终处于明显的振荡状态。持续的振荡不仅引起风力机的动态响应,而且增强了气动载荷的非定常效应,从而为漂浮式风力机的设计和评估带来极大的困难。深入研究漂浮式风力机的动态响应和气动特性有助于揭示动态响应的变化规律,准确模拟包括气动载荷在内的多种载荷,为漂浮式风力机的设计奠定基础,从而推动漂浮式风电的发展。本文综合运用多种方法对漂浮式风力机的动态响应和气动特性进行了研究,详细分析了多种环境条件下动态响应的变化规律,以及翼型、风轮和尾迹的气动特性。在动态响应特性研究中,对三种典型的漂浮式风力机在多种风速和波浪条件下的动态响应进行了计算,统计得到了每种工况下各种动态响应的平均值和标准差。对统计结果的详细分析表明：纵荡运动是漂浮式风力机的主要运动形式；风速主要影响动态响应的平均值,而浪高主要影响动态响应的变化幅值；功率平均值与固定式风力机的稳态值相比基本不变,但载荷平均值却有一定程度的增加。对叶片攻角和诱导因子的分析表明,叶片内侧翼型的平均攻角和攻角变化幅度较大,而叶片外侧的诱导因子平均值和诱导因子变化幅度较大,表明叶片内侧较容易出现动态失速现象,而叶片外侧较容易进入湍流尾迹状态。在翼型的气动特性研究中,以动态响应特性研究得到的攻角变化规律为基础,选择了DU35翼型。首先利用CFD对静态条件下DU35翼型的气动特性进行了模拟,通过与实验数据对比验证了计算模型的准确性；然后利用动网格技术对DU35翼型在俯仰运动状态下的非定常气动特性进行模拟,并与B-L动态失速模型的计算结果进行了对比；最后对平均攻角、攻角变化幅度和折合频率的影响规律进行了分析。结果表明：在附着流或轻失速攻角范围内,厚翼型的升力系数几乎没有非定常效应,而阻力系数和俯仰力矩系数却有很强的非定常效应。同时还发现,建立在薄翼型基础上的B-L模型对厚翼型的模拟结果与CFD的趋势基本一致,但高估了厚翼型的非定常效应。在风轮的气动特性研究中,对NREL5MW风力机的风轮在稳态和振荡条件下的气动特性分别进行了模拟。其中,稳态条件下的模拟分别采用了BEM和CFD两种方法,结果表明：对于变速变桨型风力机,在风速达到额定风速之前,功率和载荷均随风速的增大而增加,而且主要出功区域和最大载荷均位于叶片外侧；风速达到额定风速之后,载荷显著降低,而且主要出功区域向叶根方向转移；对于BEM方法,雷诺数效应是高风速条件下计算误差增大的重要原因。振荡风轮的模拟采用了CFD方法,并且在给定纵荡位移和叶片参考系下进行。结果表明：在风轮的纵荡运动过程中,叶片表面的流动没有明显变化,但叶尖附近吸力面的压力分布波动较大。在尾迹特性的研究中,首先在分析和改进现有致动线模型的基础上,提出一个新模型,通过对二维翼型和椭圆机翼进行模拟,以及与理论结果对比,验证了模型的准确性,并且提出了提高致动线模型准确性的两种有效方法。然后利用改进的致动线模型分别对固定式和纵荡运动风轮的尾迹特性进行了研究。固定式风轮的尾迹特性研究结果表明：在低风速和额定风速条件下,叶片外侧附着涡以及叶尖涡的强度较强；在高风速条件下,叶尖涡的强度大幅度减弱,叶片内侧附着涡以及叶根涡的强度增强。纵荡运动风轮的尾迹特性研究结果表明：轴向力和切向力波动较大的区域均位于叶片中部,而且波动幅度受纵荡振幅的影响极大；在低风速和额定风速条件下,风轮的纵荡运动加速了尾涡的耗散与融合,并且增大了尾迹区的湍流强度；在高风速条件下,尾迹流动受风轮纵荡运动的影响较小。最后,在总结现有实验的基础上,设计了一个可在常规风洞中模拟漂浮式风力机纵荡运动的水平摆动实验台,建立了水平摆动风力机实验的相似律,并且对风轮直径为1.5m的缩比例NREL5MW风力机在静止和摆动条件下的气动特性进行了实验研究。结果表明：由于雷诺数效应以及风轮转轴与轴承之间的摩擦阻尼,缩比例风力机的功率系数明显小于原风力机的功率系数；当风力机水平摆动时,转速和推力均随时间波动,且波动幅度基本不随风速和摆动频率变化。
【作者】刘强；
【导师】徐建中；杨科；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（工程热物理研究所），工程热物理，2014，博士
【关键词】漂浮式风力机；动态响应；气动特性；尾迹；致动线；风洞实验；

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