气动阻尼分析及应用

论文摘要

在风速远小于风力机叶片设计极限风速的时候,风力机运行或停机时会经常出现剧烈振动并导致叶片受损的事件。本论文针对这一问题建立了较精确的气动阻尼模型、叶片结构振动模型,并结合动态气动分析及计算模型,实现了水平轴风力机叶片动态气动阻尼计算及叶片响应计算。采用Visual C++开发工具,开发出了气动阻尼及叶片结构响应模块。论文包括三部分:气动分析与计算理论、气动阻尼模型、和叶片结构振动模型。气动分析与计算理论部分讨论传统的气动分析与计算方法,在此基础上发展了适用于风速动态变化的动态气动分析与计算模型。动态计算模型通过采用紊流风场模型和动态失速模型计算出随时间变化风场中的风速和叶片的动态性能参数,获得风力机的动态气动载荷和性能,突破了传统的气动分析模型只支持稳态计算的局限。气动阻尼模型以气动分析计算及叶片结构响应理论为基础。气动阻尼很大程度上依赖于翼型的升力系数、阻力系数和它们随攻角的变化率以及风力机结构参数和外界风况。当气动阻尼为负时,它为叶片振动提供能量,导致了叶片振动的加剧,从而解释了上述叶片受损现象。通过建立气动阻尼与叶片功率推力的关系,可以看出功率和推力对气动阻尼的影响。气动阻尼模型为风力机叶片可靠性和优化设计及控制策略提供重要依据。叶片结构振动模型以叶片模态为基础,通过里兹法求出模态下的频率,并加入气动阻尼,然后借助多自由度连续系统自由振动和受迫振动模型而得出叶片的结构振动模型。通过加入共振力使叶片产生共振,从叶片响应来看当叶片气动阻尼为负时,为叶片的振动提供能量,导致了叶片的发散振动。叶片结构振动模型为气动力和气动阻尼的准确计算提供依据,并且对气固耦合的研究有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 风力发电现状
• 1.1.2 出现问题及原因
• 1.1.3 本课题的意义
• 1.2 论文工作的目的和主要内容
• 第二章 风力机气动分析与计算理论
• 2.1 紊流风场
• 2.1.1 速度分解
• 2.1.2 平均风速
• 2.1.3 求解紊流速度
• 2.2 水平轴风力机气动计算理论
• 2.2.1 动量理论
• 2.2.2 叶素理论
• 2.2.3 有限叶片数影响
• 2.2.4 叶尖损失修正
• 2.2.5 轮毂损失
• 2.2.6 叶栅效应
• 2.2.7 失速修正
• 2.2.8 片条理论
• 2.3 风力机气动性能计算方法
• 2.3.1 建立坐标系统
• 2.3.2 计算模型
• 2.3.3 计算速度诱导因子
• 2.3.4 计算速度分量
• 2.3.5 计算叶片和塔架受力
• 2.3.6 计算叶片和塔架力矩
• 2.3.7 计算功率系数和推力系数
• 2.4 动态气动分析与气动计算模型
• 第三章 风力机叶片气动阻尼模型
• 3.1 气动阻尼模型及计算
• 3.1.1 翼型
• 3.1.2 功率推力方式
• 3.1.3 做功方式
• 3.2 叶片模态气动阻尼模型及计算
• 3.3 动态失速下叶片气动阻尼
• 3.3.1 吸附流（ATTACHED FLOW）
• 3.3.2 分离流（SEPARATED FLOW）
• 第四章 风力机叶片结构振动模型
• 4.1 结构振动理论
• 4.1.1 多自由度系统的动力学方程
• 4.1.1.1 系统的势能和动能
• 4.1.1.2 动力学方程
• 4.1.2 多自由度系统的自由振动
• 4.1.2.1 固有频率
• 4.1.2.2 模态
• 4.1.2.3 模态叠加法
• 4.1.3 多自由度系统的受迫振动
• 4.1.4 有阻尼的多自由度系统
• 4.1.5 里茨法
• 4.2 风力机叶片振动响应
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文
• 个人简历