风能技术文献月度报告

一、前言

长期以来 ,由于人们对风能技术的重视程度不够,所以此项技术发展速度缓慢。随着能源危机日益严重,可再生能源越来越多的受到人们的关注,而风能作为一种清洁的可再生能源,随着现代工业和科学技术的快速发展,它的开发利用成为解决能源危机的不二选择。近几年,风电技术逐渐成熟,很多国家都加大了风能的利用力度,使得陆上风资源的开发利用已经基本达到饱和状态,所以当务之急要解决的问题是怎样提高风电场效率。

而影响风电场功率损失的一个重要因素是风力机尾流。因此,研究风力机尾流场及相互作用,对优化设计新机组,降低风电场功率损失都有很重要的意义。

此外，风轮是风力机将风能转换为机械能的重要部件。风轮的气动性能直接决定了风轮对风能的利用效率以及风力机的运行经济效益。风力机在复杂多变的环境条件下运行，使得水平轴风力机风轮承受气动力、离心力等交变载荷的作用，这些载荷使得风力机叶片发生变形，同时这些变形和运动反过来又会改变风的运动，空气与风轮的相互耦合作用影响风力机气动性能。

我们课题组除对上述课题方向进行了详细的实验以及数值模拟研究外，相对研究较多的就是风力机叶片的气动性能和结构动力学特性以及风力机叶片的翼型。国外对于风力机风轮结构动力学性能改进的研究起步较早，技术先进且多样化，主要分主动控制和被动控制技术两方面的研究。 前者的关键在于通过识别设备运转情况，控制系统主动变化自身阻尼以改变整个设备的结构动力学特性；后者的关键在于叶片材料、叶片结构的开发与改进。国内关于这方面研究起步较晚，主要集中在风轮已有结构动力学参数的获取及模态分析方法的规范性研究，对于风轮结构动力学参数的改进技术研究较少。综合分析，仍未发现关于翼型结构变化对于风轮结构动态特性的影响研究。

二、主题

通过阅读文献了解到了我们课题组几位老师以前和现在正在进行的课题研究，学习和了解了如何开展课题以及实验的基本方法和所需要的工作，还有文献的格式和内容的书写。课题组在利用流固耦合数值模拟计算以及其他方法对风力机的性能和结构做了优化处理，如对风力机翼型，风力机性能，风力机翼型粗糙度，风轮，尾迹，侧偏限速机构等方面进行研究并加以改进。

其中，汪建文老师主要对风力机小翼风轮，膏状物喷雾技术等方面做了深入研究，如“叶尖小翼对风轮结构动态性能的影响研究”，“膏状物喷雾干燥技术的开发及应用”，“三叶片风轮动力学特性的分析”，“多叶片风轮的试验模态测试与分析”等；高志鹰老师对S型叶尖小翼，风力机叶片周围的流场尤其是尾迹流动做了深入研究，如“S型叶尖小翼对风轮近尾迹声辐射影响的实验研究”，“最优S型小翼影响近尾迹流动的PIV测试”，“风轮近尾迹流动与声辐射关联性的试验研究”等；马剑龙老师主要是对风轮做了深入研究，如“风力机风轮振动特性研究”，“风轮结构动力学参数优化改进方法研究”，“风轮固有振动频率随工况变化的响应特性”等；张立茹老师主要是对风力机的工况做数值研究，如“水平轴风力机尾流扩散特性的数值研究”，“风力机叶尖有无小翼三维流场的数值研究”等。

三、文献摘要

汪建文，赵志渊，刘博采用实验模态分析的方法分别对三叶片风轮、中心固定整体圆板和中心固定按120°开口的圆板，进行了模态分析，得到了它们的实际模态振型。运用模态计算软件ANSYS对动力学特性一致的三叶片风轮和动力学特性有差异的三叶片风轮进行了定性计算分析。实验结果显示，三叶片风轮的振型和中心固定圆板的振型有一定对应关系，可采用中心固定圆板的振型来研究三叶片风轮的挥舞模型振型。并用ANSYS软件和中心固定按120°开口的圆板的阵型图，更合理地解释了三叶风轮的挥舞模态振型。

汪建文，闰建校，刘金鹏，赵志渊采用试验模态分析的方法分别对单叶、两叶片风轮、三叶片风轮、五叶片风轮和中心固定圆板进行了模态分析得到了它们的实际模态振型。实验结果显示，单叶片的模态振型和多叶片的模态振型有较大不同，单叶片的结构动态特性不能代替整个风轮的结构动态特性 ；对比多叶片风轮和中心固定圆板，按照一定的对应关系，可以采用中心固定圆板的振型来研究多叶片风轮的挥舞模态振型。

张立茹，吴林泉，汪建文等基于漩涡法和实验条件修正入口边界条件，结合延迟分离涡湍流模型和K-FWH方程对某S翼型水平轴风力机进行三维非定常数值模拟，对比分析扰动入流对风轮表面脉动压力、辐射声频谱和声辐射传播的影响，并将相应数值模拟结果与实验数据进行对比分析。结果表明：扰动入流下，叶片表面各峰值脉动压力幅值不同，辐射声中高频宽带噪声出现新的峰值；总声压级在叶片径向0.57R处最大，随轴向距离的增大，总声压级下降，且在轴向距离小于500 mm时下降最快，接近叶尖位置测试线声压级出现和实验一致的跳变现象。

张立如，王占阳，何玲丽等针对流固耦合作用影响风力机的气动性能问题，基于CFX与ANSYS对风力机双向流固耦合模拟及未考虑耦合的风力机流场和结构场进行模拟，探究在额定工况下流固耦合作用对风力机输出功率影响情况。通过对比分析耦合前后的叶片表面压力分布、叶片的变形、风轮的扭矩进而研究风力机输出功率的变化。结果表明：考虑流固耦合作用时，风轮压力面的正压值基本不变，吸力面的负压值明显减小，叶片表面的压力差增大，而叶片在流固耦合作用下表面压力分布趋势无明显变化；叶片主要变形集中在靠近叶尖处，且越接近叶尖变形越大，呈非线性分布，叶片在流固耦合后的变形量相对未耦合增大，叶片的变形主要是沿着轴向的挥舞变形；且叶片的扭矩也更大，流固耦合作用下计算风力机输出功率为 383Ｗ，比未耦合增大 16％，与试验值更接近。

马剑龙，吕文春，汪建文等针对某风力机风轮固有频率模拟计算，利用 SolidWorks 软件中“样条曲线”对多数据点同步拟合功能生成了光滑的叶片各翼型面曲线，同时利用 SolidWorks 软件中“放样”对多数据曲线同步拟合功能实现了叶片整体光滑建模，从而有效解决了模态计算中网络划分时因计算模型非流线性而产生死点或网格畸变的常发性错误，实现了网格的理想划分。利用 ANSYS13.0 软件模态分析计算模块，配合模型部件材质、部件间接触条件、风轮整体约束条件近实体化设置，使风轮前三阶固有频率计算值与试验值相对误差在 5%以内，实现了风轮固有频率的精度模拟。分析产生数据差异的原因主要为实际叶片材质并非各项同性。精度模态计算方法的实现，对风轮结构优化设计及模态计算方面的研究具有较重要的应用价值。

高志鹰，汪建文，东雪青采用5因素5水平的正交实验方法，找到在不同尖速比下均具有较好功率放大效果的S型叶尖小翼结构，对其影响近尾迹流动与声辐射的特征进行了测试发现该小翼可以打散从风轮叶尖脱落的叶尖涡结构，在测试方位面内形成多个涡量集中区域，而且使叶尖涡内高涡量区域减小，降低叶尖涡的强度同时，该小翼还可以使叶尖附近的压力脉动衰减，高压力脉动区域缩小，降低声辐射的强度，有效降低近尾迹中的声压级，靠近风轮附近测点的最大声压级降幅超过10dB在1倍风轮直径下游位置的声压级降幅为2-7dB, 对S型叶尖小翼影响近尾迹流动和声辐射的研究，为提高风力机性能和降噪途径的探索积累了经验。

四、总结

通过对文献的阅读，针对风力机的气动噪声研究中，计算方法大致分为整体建模，结构计算域，划分网格，设置边界条件，选择湍流模型等几部分。

风轮建模在Gambit软件中导入风力机翼型的数据。以实验室风洞为模型构建计算域，改变入口方向实现偏航条件下的模拟。网格划分主要使用四面体非网格结构网络，计算域划分为旋转流体区和非旋转流体区。边界条件的设定入口风速，湍流度以及水力直径；出口边界条件为自由流出口，计算域面壁为固壁，风轮表面为旋转壁面。湍流模型的选取，大涡模型（LES），雷诺平均（RANS）,以及将二者结合的分离涡模型（DES）。

研究方向涉及偏航对尾迹流场与气动噪声的影响，不同的偏航角，湍流度，均匀入流和扰动入流条件下气动噪声预测；不同切变风速下风轮载荷；单向，双向流固耦合下风轮气动特性。

此外，还了解了课题组各位老师的主要研究方向与目前所取得的结果，文献的撰写格式，内容如何书写，目前国内外的研究现状，实验和模拟的具体方法等。对我未来两年半的研究生生活规划有了一定启发，我会继续翻阅文献，国内外期刊，师兄师姐们的毕业论文等，增加自己的知识储备。此外，还有利用空闲时间进行ANSYS,SOLIDWORKS等软件的学习，还有实验室仪器的操控，为以后的实验研究打下坚实的基础。

五、参考文献

[1] 汪建文 贾瑜博 吴克启等     小 翼对风力机叶片表面压力分布的影响

[2] 汪建文 邹旭东              通风机性能相似换算的误差与修正的试验研究

[3] 汪建文 李振法 田 瑞等      膏状物喷雾干燥技术的开发及应用

[4] 汪建文 李振法 田 瑞等      膏状非牛顿流体输送与雾化技术的开发及应用

[5] 高志鹰 汪建文 东雪青等     S型叶尖小翼对风轮近尾迹声辐射影响的实验研究

[6] 高志鹰 汪建文 东雪青等     风力机叶尖涡流场特性的多窗口 PIV测试

[7] 高志鹰 汪建文 韩晓亮       最优S型小翼影响近尾迹流动的PIV测试

[8] 高志鹰 汪建文 东雪青等     水平轴风力机叶尖涡流动的PIV测试

[9] 马剑龙 汪建文 刘 博        翼型及叶片安装方式变化对风轮各阶固有频率影响的研究

[10] 马剑龙 汪建文 董 波       S 型叶尖小翼对风轮振动频率影响的研究

[11] 马剑龙 汪建文 董 波       风力机风轮结构阻尼比改进方法研究

[12] 马剑龙 吕文春 汪建文      风轮固有频率精度模拟方法研究

[13] 张立茹 吴林泉 汪建文等    扰动入流对风力机声辐射影响研究

[14] 张立茹 汪建文 孙晓颖等    水平轴风力机尾流扩散特性的数值研究

[15] 张立茹 汪建文 曲立群等    风力机叶尖有无小翼三维流场的数值研究

[16] 景坤瑶 汪建文 张立茹等    不同入流条件对屋顶风力机输出功率的预测

[17] 王占洋 张立茹 贺玲丽等    基于双向流固耦合水平轴风力机输出功率分析