柔性风轮的动态气动特性与结构动态响应分析

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本论文基于汕头大学环境与能源科学研究所的一个国家自然科学基金课题“考虑叶片柔性变形的风力机气动弹性问题研究”。首先通过BEM修正模型和Pitt-Peter模型,推导出非定常流下的动态入流模型。利用四阶Runge-Kutta法求解动态入流模型中的一阶微分方程。考虑大型机组柔性叶片工作过程中发生大尺度变形的特点,加入柔性结构变形对动态入流模型的反馈。分别研究风力机在风剪切、风湍流、偏航、叶片桨距角和风轮转速变化过程中诱导因子的渐变机理和结构动态响应。运用MATLAB进行编程,对某5MW风力机进行动态诱导因子和结构动态响应计算。对比了几种不同模型的计算结果。主要做了以下方面的工作:  (1)分析风力机叶片稳态空气动力学基本理论,对叶素动量理论进行修正并建立模型,分析计算所得到的气动特性并与GHBladed计算结果进行比较,确定稳态气动模型的准确性。  (2)在叶素动量理论修正模型的基础上引入动态入流模型,建立柔性叶片动态的气动模型,分别研究风力机在是否考虑风剪切以及风湍流、偏航、叶片桨距角和风轮转速变化过程中诱导因子的渐变机理。运用MATLAB进行编程,对某5MW风力机进行动态诱导因子计算,建立起诱导因子的动态描述,对其渐变机理进行研究分析,得到适合柔性叶片翼型的动态入流模型及分析方法。  (3)确定柔性风轮的结构反馈模型,叶片挥舞运动、叶片摆振运动、叶片扭转运动,通过建立这三个方向上的结构动力学方程,将结构变形的计算结果反馈给动态气动模型。  (4)将柔性结构反馈模型和(2)中的动态气动模型相结合,利用模型1,加柔性结构反馈的稳态模型。模型2,加柔性结构反馈的动态模型。模型3,无反馈的动态模型。模型4,无反馈的稳态模型。分别对风力机进行动态的气动特性和结构动态响应进行分析,将4不同种模型的计算结果进行对比,揭示了考虑结构柔性反馈的必要性。  (5)以上所有过程均通过MATLAB编程实现,从而对整个柔性叶片动态特性进行数值仿真。
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