水平轴风力发电机组钢管塔架风致响应分析

摘要

随着风电行业迅猛发展，水平轴风力发电机组正朝着大型化、柔性化方向发展，由于风的脉动效应使结构发生振动，当这种振动超过风力机塔架承载极限后，就会造成风力机结构破坏。因此，深入研究水平轴风力发电机塔架结构的风荷载及风振响应对工程设计具有极其重要的理论价值和指导意义。 风力机塔架动力特性分析是其风振响应分析的基础。本文采用Lanczos向量直接迭代法，通过多种计算模式对600kW水平轴风力发电机组钢管塔架结构的自振特性做了研究，分析叶轮和机舱、基础刚度对结构动力特性的影响，同时得到结构自振频率，为风致动力响应分析奠定基础。 本文基于ADINA有限元软件，采用标准κ-ε、RNGκ-ε、Wilcoxκ-ω、SSTκ-ω和大涡模型五种湍流模型对圆柱体绕流特性进行数值模拟，通过数值计算结果的分析比较，证明大涡模拟更适用于一维高耸结构的抗风分析。随后，采用大涡模拟对水平轴风力发电机组钢管塔架风致响应进行了深入研究。 本文主要对风力发电机组在切出风速，切出极限风速和抗最大风速三种情况下的钢管塔架进行风荷载和风致动力响应分析，为此建立了有限元刚性模型和考虑流体--结构耦合作用的气弹性模型进行数值模拟，得到三种风速下钢管塔架表面的反力和结构的变形。通过对数值模拟结果的分析得出钢管塔架表面的风压系数、阻力系数、结构的风振系数以及塔架尾流旋涡脱落情况。经过比较分析发现：刚性模型和气弹模型得到的钢管塔架表面风压系数分布和变化趋势基本一致，气弹模型得到的风压系数绝对值相对较大；参考风速对风压系数影响较小；阻力系数随塔架标高的增加而增大；钢管塔架尾流具有明显的三维流动湍流特性，来流风速的增加使塔架尾流竖向的扰动范围扩大；来流风速及塔架标高对风振系数影响极小；根据数值计算结果分析，建议600kW风力机钢管塔架风振系数取1．7，为风力机钢管塔架设计研发提供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1风能的发展

1.1.2风力机的分类

1.1.3课题研究的意义

1.2 HAWT塔架结构风致动力研究内容及其现状

1.2.1钢管塔架结构动力特性分析

1.2.2钢管塔架结构风致响应分析

1.3本文的主要研究内容

第二章 HAWT钢管塔架自振特性分析

2.1引言

2.2 HAWT钢管塔架结构动力特征方程

2.3 HAWT钢管塔架自振特性有限元分析方法

2.3.1弯曲振动的固有频率和振型的计算方法

2.3.2扭转振动的固有频率和振型计算方法

2.3.3 Lanczos向量直接迭代法

2.4 HAWT钢管塔架自振特性参数分析

2.4.1计算模型

2.4.2计算结果与分析

2.5本章小结

第三章 湍流数值模拟方法

3.1引言

3.2湍流概述

3.2.1湍流的特征

3.2.2湍流的描述

3.3湍流的数值模型

3.3.1 Reynolds平均法(RANS)

3.3.2大涡模拟

3.4数值模拟方法验证

3.4.1参数定义

3.4.2有限元计算模型及网格划分

3.4.3计算结果分析

3.5本章小结

第四章 HAWT钢管塔架风致响应分析

4.1引言

4.2 HAWT钢管塔架结构风致响应基本原理

4.2.1结构顺风向的风响应

4.2.2结构横风向的风响应

4.2.3结构在风力作用下的自激振动

4.3有限元刚性模型数值模拟

4.3.1有限元计算模型及网格划分

4.3.2计算结果分析

4.4考虑流固耦合作用的数值模拟

4.4.1流体-结构耦合作用(FSI)数值模拟理论

4.4.2有限元计算模型及网格划分

4.4.3计算结果分析

4.5本章小结

第五章 结论和展望

5.1本文的主要结论

5.2进一步工作的展望

参考文献

致谢

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