| 题名 | 5MW风力机气动性能及叶片的流固耦合分析 |
| 作者 | 张康康 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 导师 | 杨瑞 |
| 关键词 | 风力机 叶片 流固耦合 阵风 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 英文摘要 | 大功率风力机已经被行业内视为降低研发成本、提高竞争力的主要方式之一。风力机的大型化使得叶片长度和柔性增大,进而使叶片发生耦合变形的可能性增大,导致叶片产生非定常的载荷波动,影响了叶片的气动性能,破坏了叶片的结构稳定性,对风力机的安全运行产生影响。为了研究大型风力机叶片的耦合变形对风力机气动以及结构产生的影响,本文以NREL 5MW风力机为对象,采用数值模拟的方法,对不同工况下的风力机模型进行气动及流固耦合分析。主要工作和结论如下:(1)对风力机进行了三维建模和网格划分,选择8 m/s、11.4 m/s、15 m/s和20 m/s四种工况进行了功率验证,分析了风速为11.4 m/s时叶片的气动载荷分布以及表面流动情况。结果显示:气动载荷主要分布在叶展方向75%R(R为风轮半径)处,且叶尖部分的上下表面压差最大,有利于叶片做功;叶根部分的分离流动也表明三维数值模拟对研究风力机气动性能很有必要。(2)采用大涡模拟(LES)方法研究了塔架对风轮尾流的影响。结果显示:风轮的阻塞作用使尾流沿流动方向出现了一定程度的扩散,塔架的存在使得尾流对称性变差,塔架产生的尾流与风轮叶尖尾涡的互相干扰破坏了风力机的尾流边界,使得尾流中的湍流增加。(3)采用了单向和双向流固耦合的方法对8 m/s、11.4 m/s和20 m/s三种工况下风力机叶片气动载荷和结构特性进行了对比分析。结果显示:气动扭角使得叶尖局部气动载荷增大,然而叶片弯曲变形造成风轮扫略面积的减小,最终使双向流固耦合模拟得到的气动载荷比单向流固耦合的更小;11.4 m/s来流时的叶尖位移、气动扭角和展向变形最大;8 m/s来流和11.4 m/s来流时叶片中部区域的等效应力和应变值最大;20 m/s来流时叶根区域的等效应力和应变值最大。(4)对极端运行阵风条件下的风力机叶片进行了双向流固耦合分析。结果显示:两种工况下的流动分离首先出现在叶片根部,并逐渐向叶片中部扩展,当叶片大部分区域出现流动分离时叶片发生失速;叶片气动载荷的增加是风速增大和叶片变形共同作用的结果,当来流风速减小时,叶片变形的波动需要更多的时间才能恢复稳定;耦合变形产生的气动攻角使叶片的失速提前、失速程度加深,加剧了阵风对叶片的影响;叶片等效应力和应变值的大小随着来流风速的变化而出现波动。本文通过对NREL 5MW风力机叶片进行单向和双向流固耦合研究,得到了耦合变形、气动扭角和等效应力应变在不同风速下以及极端运行阵风条件下的分布特点,为风力机叶片设计和安全运行提供依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 92 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/95465]  |
| 专题 | 兰州理工大学 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张康康. 5MW风力机气动性能及叶片的流固耦合分析[D]. 2019. |
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