大气边界层实验模拟及水平轴风力机叶片动力学特性实验研究

摘要

电力供应的紧缺及化石燃料发电所带来的空气污染问题迫使我们对新能源的利用方式、效率有更为严格的要求。风力发电作为一种新能源利用的方式，已逐渐被国内外风资源丰富的地区所接受并大力发展。
　　风力发电是通过风力机把风能转换为电能，风力机的工作环境相对不稳定，通常伴随着气流的波动，而且其叶轮处于旋转运动状态。故大气边界层的实时状态及作为能量输入端的叶片动力学特性响应直接关系到风力机发电效率及运行寿命。本文就这两个方面开展了研究。
　　为实现风洞大气边界层的准确模拟，提出了一种综合多个参数几何比例一致性分析的风洞大气边界层被动模拟实验。实验布置了多种不同湍流发生装置布局的工况以模拟不同地形，通过测量平均风速、湍流强度、湍流积分尺度以及功率谱随高度的变化，开展了考虑模拟地面粗糙度与大气边界层高度比例因子一致性的大气边界层模拟研究，并对比分析了尖劈和粗糙元对模拟流场的影响。
　　搭建了一种研究风力机叶片动力学性能实验台，通过应变片和动态测试系统采集分析了不同风速下叶片动力学响应，获得了风速对叶片上应力应变分布的影响。同时，测量水平轴小型风力机叶片具有代表性截面的弦长、安装角，利用翼型设计软件、三维制图软件、有限元分析软件，实现了叶片的三维建模及振动模态分析，为叶片避开临界转速提高风机运行安全性及实验振动分析提供了参考。分析应力应变振动信号提取多个振动峰值频率，与仿真模态分析比较，结果验证了该实验方案是可行的。

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1 绪 论

1.1选题背景、目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究存在的问题

1.4 论文的研究内容

2 大气边界层模拟实验理论基础

2.1 大气边界层的结构

2.2 大气边界层的特性

2.3 相似理论

2.4 雷诺数计算

2.5 本章小结

3 风洞大气边界层被动模拟实验

3.1实验风洞

3.2模拟湍流发生装置

3.3实验数据采集

3.4实验测量结果分析与讨论

3.5地形的模拟结果

3.6湍流积分尺度与功率谱的分析

3.7.雷诺数的验证

3.8本章小结

4 风力机叶片动力学特性实验

4.1实验理论基础

4.2 ANSYS动力学模态分析

4.3实验设备及方法

4.4考虑实验安全性因素

4.5实验步骤

4.6实验结果分析

4.7本章小结

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 第三章所涉及8种工况布局示意图

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