侧风对风力机叶片结构动态响应影响的试验研究

摘要

已有研究表明侧风因素（侧风速度、侧风角度、风轮转速）、风轮叶片与尾迹流场的相互作用是引发风力机发生不良振动的主要诱因，但目前相关研究依然较少。故利用TST5925C旋转应力应变装置、PULSE19装置与高频PIV装置构建直径1.4m木质某新翼型小型水平轴风力机叶片表面应变值、机头及塔架加速度值与风轮的尾迹流场信息的综合测试系统，获取了应变、加速度及尾迹涡旋随侧风因素的变化规律。因风力机尾迹涡旋的变化规律在一定程度上反映了侧风因素对风力机的作用情况，所以对尾迹流场的研究是深入分析风力机结构动态响应的桥梁。
　　为此首先对风力机尾迹流场特征进行分析：
　　首先对尾流速度脉动进行分析，提取脉动合速度均方根，发现随着侧风角度的增加，流场的速度脉动减弱，而随着风速的升高，流场速度脉动又增强。并进一步分析尾流湍流特性，提取湍动能云图，发现尾迹涡旋的发展对于侧风速度的变化更为敏感。最后基于上述分析，提取尾迹平均涡量，发现随侧风角的增加，叶尖涡涡量减小，且叶尖涡越强大随侧风角的增加，涡的耗散越大，而风轮转速与侧风速度增加都会造成叶尖涡涡量的增加。
　　在尾迹流场分析的基础上，对叶片表面应变及机头加速度值进行分析：
　　证实了风轮在连续侧风条件下存在“最恶劣侧风角”，提取叶片表面应变，发现在“最恶劣侧风角”时叶片压力面应变最大，受到的侧风激振力最强。而对于叶片吸力面不同转速下叶片的侧风激振效果不同，转速低时应变减小，转速高时应变增加。此外，因风力机共振与非共振情况下叶片的振动行为不同，对流场产生的影响也不同，故提取振动加速度响应频谱，确定风力机的共振转速及频率。
　　结合以上所获取的结构场与流场参数，寻找结构场与流场之间的内在关联性。
　　首先提取振动频谱与流场能量谱，发现相近特征频率对应处均出现了明显的峰值，建立了以频率为纽带的结构场与流场间的关联特性。并进一步对比结构场旋转3倍频及流场一次谐波的幅值随侧风角度的变化规律，发现侧风角小于10°时，流场能量值对加速度值的变化更为敏感。随着侧风角增加风轮尾迹结构被打乱，外部主流区流体与风轮尾流发生掺混，导致叶片振动能量向流场的传递发生阻塞。
　　其次雷诺应力反映了叶尖附近流体的动量通量，提取不同工况流场雷诺应力，发现随着侧风角增加，叶尖附近的雷诺应力减小，叶尖附近动量传递受阻，叶片振动对流场作用力减小。
　　最后因叶尖涡的形成与叶片表面的压差有关，对比叶尖应变与叶尖涡涡量随风轮转速的变化，发现应变与涡量随尖速比的变化规律一致。
　　通过试验的手段构建了流场与结构场在某些方面的关联，并研究侧风条件下相关参数的变化规律。为风力机流固耦合、减震降噪设计、提高风力机效率相关方面的研究提供了宝贵的试验数据及新思路，同时为深入的科学研究积累了试验经验。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容

第二章 基础理论

2.1 风力机尾流相关理论

2.2 风力机振动相关理论

2.3 试验研究方法

第三章 风力机结构动态参数采集

3.1 试验方案

3.2 其他主要试验设备

3.3 试验工况

第四章 侧风对风轮振动及尾迹的影响研究

4.1 近尾迹特性分析

4.2 结构场分析

4.3 关联性分析

结论

1 本文主要工作及结论

2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果