大型风力机气动弹性计算方法研究

摘要

现代大型风力机通常由机舱、轮毂、传动系统、叶片和塔架等组成，形成较为复杂的整机多体系统。随着风力机大型化的发展，叶片柔性越来越大，且细长型梁式结构的塔架固有频率低。因而在风力机运行过程中，叶片绕低速轴旋转同时容易与弹性塔架、刚性机舱等耦合振动，产生较为复杂的动力学耦合效应。另一方面大型风力机通常运行在复杂的自然环境中，偏航、湍流风等非定常效应使得叶片载荷呈现出非定常特点。因而弹性叶片还容易与非定常气动力耦合，产生气动-结构耦合的气动弹性效应。正确考虑大型风力机各部件之间的动力学耦合效应以及柔性叶片与非定常气动力的气动弹性耦合效应是其安全运行的关键问题之一。而解决该问题的首要前提是精确模拟风力机多体系统动力学行为和准确计算叶片非定常气动力。本文采用多体动力学方法精确的计算风力机整机动力学行为，在自由涡尾迹方法快速计算定常/非定常气动力基础上开展更加精确的CFD方法计算研究。耦合涡尾迹方法和多体动力学方法，建立大型风力机整机气动弹性快速计算平台；耦合CFD方法和多体动力学方法，建立了更加准确的整机气动弹性计算平台。在实现风力机整机气动弹性快速计算的基础上，进行更加细致、精确的计算研究。
　　在风力机整机动力学模拟方面，采用复合材料层合板模型模拟风力机叶片的结构分布，薄板模型模拟塔架结构。壳单元进行叶片、塔架的有限元离散，并进行动力学分析。机舱、轮毂发生的弹性变形较小，将其简化为刚体。上述各个部件不是独立运行的，而是通过不同类型的约束相互连接形成一个完整的系统。建立固支铰和驱动铰模型，采用固支铰在塔底处连接风力机基础和塔架，在塔顶处连接塔架与机舱。轮毂中心处采用驱动铰连接机舱与风轮以模拟风力机的传动系统。笛卡尔坐标描述机舱、轮毂等的刚体运动，混合坐标系方法描述叶片、塔架等的弹性体运动和变形，其中弹性变形采用振型迭加法计算。通过第一类Lagrange方程推导出考虑气动弹性的刚柔混合多体系统动力学的微分-代数方程组，其中约束方程为铰的点和矢量方程。采用Taylor展开进行预估结合BDF(Backward Differential Formula)方法校正得到非线性方程组，继而采用Broyden算法求解，从而建立刚柔混合多体动力学系统求解算法。
　　建立考虑结构影响的自由涡尾迹方法以实现风力机气动性能的快速计算。将叶片简化为一根升力线，其中涡线布置于四分之一弦线。螺旋状的尾迹涡由叶片拖出，在随着叶片旋转的同时也跟随流场向下游发展。采用直线涡元模拟风力机尾迹区的曲线涡线，粘性涡核模型以模拟涡核内部的速度分布，并由Biot-Savart定律计算涡元的诱导速度。采用Leishman-Beddoes动态失速模型修正振荡翼型的非定常气动特性；三维旋转效应修正旋转叶片对气动力的影响。采用时间推进法求解风力机尾迹形状和气动性能。大柔性叶片在发生较大变形时也对尾迹形状和气动特性产生较大影响，通过插值方法将结构变形和振动速度反馈到风力机尾迹形状以及气动力计算中，从而建立考虑结构影响的自由涡尾迹计算方法。
　　采用计算流体力学方法进行的风力机非定常流场的数值模拟。有限体积法求解可压缩的非定常N-S方程，湍流模型采用S-A模型。并结合中心格式、Runge-Kutta方法进行空间离散和显式时间推进。风力机运行在风速较低的流场中，采用低速预处理修正数值不稳定性，结合并行计算提高效率。基于弹性网格变形技术发展出风力机刚-弹混合动网格方法，以实现运行过程中叶片刚性旋转、弹性变形，以及弹性塔架引起的刚体位移等动网格过程。通过 Phase VI和NH1500叶片对上述气动力计算方法进行了验证。
　　耦合多体动力学方法和气动力计算方法，通过插值实现风力机气动-结构之间的数据传递。采用松耦合方法，在每个时间步内将涡尾迹计算的沿叶片展向分布的非定常载荷传递给多体模型，并进行响应计算。反馈叶片变形和振动速度到非定常尾迹计算中，形成大型风力机考虑气动弹性的FVW/MBD耦合计算方法。当气动力采用CFD计算时，将所计算得到的叶片表面的压力和摩擦力传递给叶片结构。反馈叶片的变形到叶片的表面气动网格并通过刚-弹混合动网格方法快速生成风力机网格，形成CFD/MBD耦合计算方法。

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注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究工作

第二章 大型风力机动力学

2.1 引言

2.2 结构动力学基本理论

2.3 叶片复合材料特性计算分析

2.4 风力机多体运动学计算分析

2.5 微分代数方程组数值解法

2.6 小结

第三章 基于涡尾迹的叶片气动弹性计算研究

3.1 引言

3.2 翼型非定常气动特性

3.3 尾迹求解方法

3.4 结构对气动力计算的影响

3.5 风力机气动弹性计算

3.6 计算算例

3.7 小结

第四章 基于CFD的叶片气动弹性计算研究

4.1 引言

4.2 风力机流场数值模拟方法

4.3 低速预处理

4.4 风轮区域点对接滑移网格

4.5 插值方法

4.6 叶片气动弹性耦合方法

4.7 数值验算

4.8 小结

第五章 风力机整机动气动弹性响应计算研究

5.1 引言

5.2 FVW/MBD整机气动弹性计算

5.3 CFD/MBD整机气动弹性计算

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文