空气动力学学报

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《空气动力学学报》2022年4期pdf合集

2022, 40(4).

摘要(93) PDF(62)

摘要:

王同光, 田琳琳, 钟伟, 王珑, 朱呈勇

2022, 40(4): 1-21. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0114

摘要(623) HTML (163) PDF(173)

摘要:
随着世界各国纲领性行业政策的积极制定，风电行业将继续高速发展。风电机组大型化（达到多兆瓦级甚至十兆瓦级）、海洋化（从陆地扩展至海上）、智能化（辅以智能化结构、材料和控制策略）、数字化（精准预测和实时感知调控）是风电发展的大趋势。空气动力学研究作为风力机技术研发的首要任务，由此将面临一系列新的问题和挑战。本文以水平轴风力机为研究对象，就其风能利用中的空气动力学问题进行探讨，本篇为第一部分“风力机气动特性”。首先分析其空气动力学问题的复杂性及原因；然后，针对风力机专用翼型的气动特性、风力机气动特性、现代化风力机设计（特别是海上风电技术、台风问题、大叶片气弹问题）与流动控制等关键空气动力学问题，从理论分析、数值计算、风洞实验和外场测量等多种研究手段与技术着手，对其研究现状及取得的关键进展进行综述和讨论；最后对今后的研究方向进行分析与展望，为大尺寸风力机叶片设计提供参考。

风能利用中的空气动力学研究进展Ⅱ：入流和尾流特性

王同光, 田琳琳, 钟伟, 王珑, 朱呈勇

2022, 40(4): 22-50. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0390

摘要(581) HTML (131) PDF(143)

摘要:
空气动力学是风能工程面临的首要和关键问题之一，决定着风工程的经济性、稳定性和安全性。针对风能技术发展的迫切需求，结合近年来风能设备大型化、规模化、海洋化、智能化和数字化的发展趋势，对风能利用中的空气动力学问题进行了探讨，本篇为其中第二部分：入流和尾流特性。一方面，选取大气边界层、风力机尾流、陆上/海上/复杂地形风电场混合尾流及其之间的相关干扰等典型气动问题为论述对象。另一方面，从外场测量、风洞实验、理论分析、数值模拟、工程建模和人工智能等多种研究途径着手，梳理其中涉及的关键空气动力学问题、特殊物理现象及取得的重要研究进展，分析所涉及的流动分布特性、演变规律与关键流动机理。此外，结合我国气候、地理条件、国情探讨风电发展面临的空气动力学难题并尝试给出解决策略。最后，对未来的研究方向进行展望。以期为风电的行业规划、技术发展和工程实施提供重要参考。

水平轴风力机主动尾流控制综述

宗豪华, 孙恩博

2022, 40(4): 51-68. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0249

摘要(455) HTML (220) PDF(119)

摘要:
对于大型风电场而言，由尾流干扰引起的产能损失最高可达30%～40%。主动尾流控制（AWC）技术通过上游风力机的偏航来诱导尾流侧向偏转，以减弱对后排风力机的尾流干扰、增加风电场的总产能，应用前景极其广阔。本文从无偏航风力机尾流模型、偏航风力机尾流模型、多风力机尾流叠加方法和风电场产能优化四个角度，综述了AWC技术在过去近20年的研究进展，并对该技术走向工程应用中所亟需解决的问题进行了展望。整体来看，该项技术已经基本成熟。研究人员从最初的理论、仿真和风洞实验研究，走向了实际风电场的效果验证。在理论预测层面，高斯尾流亏损模型、基于旋涡诱导横向速度的一次和二次尾流偏转模型、具备动量守恒特性的尾流叠加方法正在成为风电场产能预测的标配。实际工程应用层面，风力机间距、排数、湍流度、大气边界层热稳定性、风向和风速变化均会影响AWC所带来的产能收益；典型条件下，应用AWC技术后，全尾流干扰风向上的风电场产能可提高约5%～15%，各个风向平均后的年均收益约为1%～3%。

超声速飞行器声爆飞行试验与声爆预测评估

瞿丽霞, 韩硕, 宋亚辉, 徐悦, 张跃林

2022, 40(4): 69-80. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0018

摘要(201) HTML (47) PDF(37)

摘要:
声爆问题是超声速民机研制中首要解决的关键问题之一。声爆飞行试验是研究超声速飞行器声爆特性的最直接手段，可为声爆预测方法和低声爆设计技术提供真实可信的验证数据，对新一代低声爆超声速民机设计具有重要意义。中国航空研究院与中国飞行试验研究院发展了基于传感器阵列的地空一体化地面声爆测量技术，开展了国内首次超声速飞机声爆专项测试飞行试验，采集了多组真实大气条件下的声爆实测数据，验证了飞行试验方案的合理性。在飞行航迹正下方测得的声爆波形具有显著相关性，声爆信号头激波峰值相对误差在18%左右，尾激波峰值相对误差在8%左右，声爆持续时间均为0.1 s。对比分析了地面声爆实测数据与数值预测结果，发现：飞行器从测量阵列正上方飞过时，得到的声爆信号基本形态一致、持续时间较接近，声爆信号头激波、机翼前缘激波峰值相对误差小于5%；由于计算模型简化和声爆长距离传播的非线性累积效应等因素，导致声爆信号预测值与实测值在局部特征上有一定差异；后续还需深入研究真实大气环境下的超声速声爆远场传播预测方法。

基于壁面压力谱方法的风力机气动噪声模型

朱卫军, 刘宇新, 孙振业, 石亚丽

2022, 40(4): 81-89. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0102

摘要(200) HTML (63) PDF(35)

摘要:
湍流边界层尾缘噪声是翼型及风力机气动噪声的主要来源。本文应用的壁面压力谱方法是基于Aimet噪声理论提出的一种翼型尾缘噪声预测模型。首先，分别采用Goody、Rozenberg、Kamruzzaman、Lee、Hu等五种不同的壁面压力谱方法，对NACA0012和NACA64-618翼型进行噪声预测，并与实验数据对比，分析了各攻角和雷诺数下壁面压力谱方法对翼型尾缘噪声预测的准确性。其次，在Lee翼型尾缘边界层噪声建模的基础上，结合风力机叶素-动量理论，创新性地提出了一种新的风力机气动噪声预测模型，并与Bonus Combi 300 kW风力机的气动噪声实验数据进行对比，噪声谱对比结果验证了当前模型的有效性。该研究可为相关风力机气动噪声研究提供一种新的预测方法。

一种采用双弯管储气段布局的高超声速Ludwieg管设计

赵家权, 司马学昊, 黄冉冉, 熊有德, 余涛, 吴杰

2022, 40(4): 90-100. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0189

摘要(258) HTML (91) PDF(33)

摘要:
高超声速Ludwieg管风洞是开展高超声速空气动力学研究的重要平台之一。但是常规Ludwieg管风洞采用长直储气段，对试验场地需求较大，一定程度上阻碍了基础研究型高超声速试验平台的建设。针对该问题，开展了一种双弯管储气段布局的高超声速Ludwieg管气动设计，重点研究了采用双弯管储气段布局的高超声速Ludwieg管风洞非定常启动过程以及弯管储气段布局对管风洞流场的影响，并基于新建成的Φ 0.25 m马赫数6高超声速Ludwieg管风洞进行了试验验证。结果表明，试验数据与数值预测一致，在合理设计Ludwieg管弯管与储气段直径比的前提下，膨胀波系在储气段的行进会产生微弱的总压波动，但其对风洞自由来流的影响基本可以忽略不计。

高超声速逆向喷流数值模拟和风洞试验

董昊, 张旭东, 刘是成, 程克明, 赵炜

2022, 40(4): 101-109. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0240

摘要(282) HTML (60) PDF(46)

摘要:
作为一种主动流动控制技术，逆向喷流因其在降低气动热方面的广阔前景而成为研究热点。为探索逆向喷流流动控制技术对高超声速飞行器降热的影响规律及相关机理，对半球体钝体模型进行了不同来流和喷流条件下的数值模拟和风洞试验研究，得到了模型表面的流场和斯坦顿数分布，并对数值模拟和风洞试验结果进行了相互校验。结果表明：逆向喷流产生的降热效果是喷流气体回流和喷流推离头部脱体激波共同作用的结果；在相同来流马赫数下，逆向喷流降热效果随喷流压比的增大而更加显著；在相近喷流压比条件下，来流马赫数越大，逆向喷流降热效果越好。

随机算法改进的RCSA-ANN模型及近海短期风速预测

张建平, 于新建, 陈栋, 纪海鹏

2022, 40(4): 110-116. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0172

摘要(104) HTML (58) PDF(9)

摘要:
为了提高近海短期风速的预测精度，提出了一种基于随机布谷鸟搜索算法（Random Cuckoo Search Algorithm，RCSA）和人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）的模型。首先通过引入随机因子改进布谷鸟搜索算法得到了RCSA，建立了预测海上短期风速的RCSA-ANN模型；其次在上海芦潮港建立了测风塔，测得了近海气象数据，并开展了模型的训练；最后与BP-ANN、CSA-ANN模型进行对比和分析，验证了RCSA-ANN模型的精度。结果表明：CSA改进方法简单、可靠且有效，解决了该算法易陷入局部最优的问题；RCSA-ANN模型的平均误差不仅低于BP-ANN模型的，而且远低于CSA-ANN模型的，三种模型的预测精度依次降低；RCSA-ANN模型预测精度高，能对较为波动的风速序列实现准确预测，具有很好的应用潜力。

基于不确定度和气动模型的气动数据融合算法

邓晨, 陈功, 王文正, 孔轶男

2022, 40(4): 117-123. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0151

摘要(249) HTML (96) PDF(54)

摘要:
飞行器气动数据的来源主要有风洞试验、数值模拟、飞行试验三种方式。受试验和模拟能力的限制，任意一种单一手段都难以准确地对飞行器全飞行包线进行覆盖。为弥补各种数据的“缺陷”，提出并实现了两种数据融合算法：一种是依据不确定度作为权值参考，进行加权融合的加权融合算法，利用高斯过程回归算法获得不同来源气动数据预测值的特征，并进行加权融合；另一种是基于模型的CoKriging融合算法，利用CoKriging算法直接建立融合模型。并以某型飞行器气动数据为例进行了对比分析。结果表明：使用单一精度数据建模时，在一定的范围内，样本数据越多，覆盖的设计变量空间越广，精度越高；与单独使用一种精度数据的建模算法相比，两种融合算法预测结果的精度都有较大的提高；相比于基于不确定度的融合算法，使用CoKriging算法建模得到的结果精度更高，提高了近一个数量级。融合数据对于提高数据精度和增强模型预测能力上有重要作用，在参数变量空间内，融合数据能够对高精度数据进行內填补充，同时在参数变量空间外的融合数据能对数据的变化趋势预测提供参考。

考虑化学非平衡效应的高温湍流边界层统计特性分析

刘朋欣, 李辰, 孙东, 傅亚陆, 袁先旭

2022, 40(4): 124-131. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0178

摘要(155) HTML (57) PDF(26)

摘要:
新型高超声速飞行器在中低空以极高马赫数飞行时，会面临湍流与高温化学非平衡效应耦合作用的复杂流动环境，但相关研究工作还比较少。以楔形体头部斜激波后的高温非平衡湍流边界层作为研究对象，分别采用两种气体模型（完全气体模型和空气化学反应模型）开展直接数值模拟研究，对比分析了Walz关系式、强雷诺比拟关系（Strong Reynolds Analogy，SRA）、湍动能生成耗散机制和湍流可压缩效应。计算结果表明，弱可压缩假设在高温化学非平衡湍流边界层中仍然成立。采用无量纲恢复焓建立的与速度之间的关系式，可以消除马赫数、化学反应等因素的影响，与直接数值模拟的结果符合较好。GHSRA（Generalized Huang’s SRA）可以较好地描述温度脉动与速度脉动之间的强雷诺比拟关系。且采用半当地尺度归一化时，不同工况下湍动能输运方程各项的分布能够较好地符合。化学非平衡效应及高马赫数效应引起的可压缩效应有限。

“民机气动标模CAE-AVM及相关研究进展”专栏简介

专栏组稿专家

2022, 40(4): 132-132. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.202204ZLJJ1

摘要(173) HTML (40) PDF(39)

摘要:

CAE-AVM标模巡航构型的设计和数据库应用

华俊, 钟敏, 郑遂, 王钢林, 王浩, 白俊强

2022, 40(4): 133-147. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0012

摘要(345) HTML (87) PDF(43)

摘要:
受计算流体力学（CFD）与风洞数据相关性研究以及新型远程飞机设计能力建设等需求驱动，巡航马赫数0.85量级气动标模的研发日益得到重视，并受益于先进CFD方法和风洞精细化试验验证技术的发展，得以顺利开展。本文介绍了民机标模CAE-AVM巡航构型及其原准机的总体布局和气动方案设计，给出了远程商务飞机和该速域下气动标模的设计特点分析，提出了气动标模风洞试验的特别要求和解决方案。文章同时给出了CFD与风洞数据的对比验证结果，以及CAE-AVM标模数据库建设状况和典型应用案例。研究表明，CAE-AVM标模在马赫数0.85、升力系数0.5、雷诺数2×10⁷的设计状态下，升阻比为17.6，抖振升力系数和阻力发散马赫数等参数均满足设计要求。研究中实现了同步测力、测压、测变形和测转捩的精细化试验技术，试验前针对包含模型机翼气动弹性变形和支撑机构的真实试验外形的CFD预评估有效提高了试验效率。CAE-AVM数据库及其在CFD软件验证、CFD-风洞数据相关性研究、风洞动态和精细化试验技术开发以及民机设计分析方面的应用，表明了共用标模的必要性和实用性。

CAE-AVM模型巡航构型风洞试验

王浩, 华俊, 钟敏

2022, 40(4): 148-157. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0015

摘要(187) HTML (62) PDF(36)

摘要:
基于先进民机对更高巡航马赫数和更高气动效率的需求，研发了CAE-AVM模型。模型的设计巡航马赫数为0.85，巡航升力系数为0.5，展弦比为9.0。2013年和2018年先后在德国荷兰风洞（DNW）开展了两期高速风洞试验，试验马赫数范围为0.2～0.9，试验雷诺数为3×10⁶和4.7×10⁶。文章给出了详细的模型信息及风洞试验测量手段、试验结果及气动性能分析等。试验结果表明：相较于固定转捩，自然转捩试验的最小阻力系数约减小23 counts（1 count = 0.0001）；巡航状态机翼翼尖扭转角变形量约为−0.95°；精细化风洞试验中在测力、测压试验时有必要同步开展红外观测与变形测量，同时开展变形测量标记点对气动特性的影响研究；风洞试验前有必要开展支架干扰及模型弹性变形影响的数值仿真分析。两期风洞试验结果重复性良好，研究表明CAE-AVM模型能够在较宽的马赫数范围内保持稳定的气动特性，可以作为空气动力学标准模型满足未来先进民机验证需求。

民机标模高升力构型CAE-AVM-HL设计及验证

钟敏, 华俊, 王浩, 白俊强

2022, 40(4): 158-167. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0021

摘要(242) HTML (62) PDF(53)

摘要:
气动标模高升力构型可用于起降状态复杂流动机理研究、CFD软件验证、低速风洞试验能力建设及增升系统噪声测试。民机气动标模高升力构型CAE-AVM-HL设计过程中采用基于代理模型的数值优化方法，优化流程包含样本建立、参数化几何外形、代理模型建立、遗传算法寻优。机翼增升装置形式为“前缘连续变弯下垂 + 前缘缝翼 + 后缘单缝富勒襟翼”。该民机气动标模高升力构型风洞测试模型在德国Deharde公司完成加工，在德荷大型低速风洞DNW-LLF完成风洞测试，试验马赫数0.2，雷诺数3×10⁶，测试内容包括测力、测压、测机翼和襟翼变形、转捩效应，以及丝线、油流、PIV试验等。针对前缘变弯下垂和前缘缝翼交界处的流动干扰现象，提出了抗流动分离的设计方案，CFD计算结果和风洞油流试验结果均显示设计方案缓解了前缘变弯下垂和前缘缝翼间的流动干扰。该构型最终风洞测量所得最大升力系数2.56，失速迎角19°，满足设计要求。

“高性能海上风机结构及其空气动力学前沿研究”专栏简介

专栏组稿专家

2022, 40(4): 168-168. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.202204ZLJJ2

摘要(186) HTML (44) PDF(47)

摘要:

基于风洞试验15 MW风力机叶片颤振后形态与能量图谱研究

柯世堂, 陆曼曼, 吴鸿鑫, 高沐恩, 田文鑫, 王浩, 王硕

2022, 40(4): 169-180. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0417

摘要(221) HTML (1420) PDF(38)

摘要:
现有风力机叶片颤振分析大多关注颤振临界状态预测，忽略了非线性更为显著的颤振后形态和能量耗散。本文基于变分渐进梁截面法设计了新型超长柔性叶片气动-刚度-质量映射一体化三维弹性模型，采用高速摄像技术和高频六分量天平进行了同步测振、测力风洞试验，分析了风力机叶片颤振敏感风向区间与临界风速组合规律，最后基于叶尖风振响应、气动阻尼和能量，系统研究了风振敏感工况风振响应下风力机叶片能量演变规律和颤振临界风速后的形态特性，揭示了风力机叶片颤振后能量耗散机制。研究表明：提出的风力机叶片弹性模型设计和试验方法能有效模拟结构动力性能与颤振行为；风力机叶片的桨距角93°～96°和284°～286°区间属于风振敏感区间，在该区间内超过临界风速即可发生大幅锁频振动；存在能量积累突变界线，超过该界线对应风速后的能量积累尤为显著，表现出风致振动能量随时间呈现显著的非平稳特性；颤振后气动负阻尼是结构系统发散的主要原因。

偏航失效时海上风力机不同停机位置下响应特性

杨庆山, 赵聪杰, 黄国庆, 周绪红, 顾水涛, 蒋博闻

2022, 40(4): 181-190. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0438

摘要(92) HTML (1259) PDF(34)

摘要:
我国东南沿海台风频发，严重威胁着海上风力机的结构安全。台风诱发的强风和巨浪，可能对风力机的控制和供电系统造成损害，导致风力机偏航系统失效。风力机因无法实现实时对风而载荷骤增，从而造成风力机破坏甚至倒塌。为研究海上风力机在偏航失效工况下的响应特性，以5 MW导管架式海上风力机为研究对象，计算了偏航失效时不同停机位置下风力机结构的动力响应，同时分析了风力机叶片、塔筒及下部结构响应随偏航角的变化规律以及停机位置对响应结果的影响。研究表明：偏航失效时，偏航角的大小和叶片停机位置对风力机结构响应影响显著；部分偏航角下风力机叶片甚至出现气弹失稳现象；综合整个偏航范围来看，采用空转策略或者叶片方位角处于90°停机位置的停摆策略时，风力机结构各部分响应值相对较小，应对偏航失效最为有利。

海上浮式风机的一体化建模及其整体可靠性

陈建兵, 宋玉鹏

2022, 40(4): 191-202. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0405

摘要(327) HTML (1351) PDF(84)

摘要:
基于整体可靠性的结构设计方法是保障海上浮式风机结构安全性与经济性，使得浮式风机能够适用于大规模深远海风能开发的关键。本文首先简要评述了浮式风机结构建模与可靠性分析的主要方法。为了分析风-浪联合作用下浮式风机结构的整体可靠性，介绍了结合多体动力学理论与有限元方法的浮式风机结构一体化耦合动力学分析模型。同时基于我国南海某场址长期风-浪再分析数据，并采用Copula方法建立风-浪多参数非线性相关的联合概率分布模型，从而合理考虑风-浪联合作用。在此基础上，引入概率密度演化理论，实现浮式风机结构的整体可靠性高效分析。针对海上风机结构国际设计规范中定义的极端风剪不利工况，采用上述方法进行了额定风速和极端风剪条件下海上单柱式浮式风机结构的整体可靠度分析。

基于致动线方法的5 MW海上风力机气动弹性分析

冷峻, 郜志腾, 郑小波, 李晔

2022, 40(4): 203-209. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0048

摘要(170) HTML (1335) PDF(42)

摘要:
随着风力机功率的不断增大以及新型复合材料的应用，叶片的柔性和几何非线性变形成为风力机设计中不可忽略的因素，结构和气动弹性的分析也随之变得更加复杂。然而，风能行业中传统的叶片分析方法无法准确预测现代复杂叶片的气动弹性特性，从而导致风力机性能预测出现较大误差。本文基于柔性多体动力学，建立了一种新型双向流固耦合模型，在结合致动线方法和大涡模拟的基础上，考虑了结构和气动弹性对风力机性能的影响，可用于动态结构载荷预测及流固耦合分析。对5 MW基准风力机进行建模，验证了计算模型的准确性，并讨论了叶片的瞬时结构响应，分析了叶片变形对风力机功率、尾迹的影响。研究结果表明，叶片的柔性在风力机气动弹性设计中不可忽略，同时本文模型可以准确捕捉风力机的尾迹结构（包括叶尖涡和叶根涡），更适用于现代兆瓦级复合材料风力机气动弹性和尾迹分析。

考虑尾流效应的风力机组输出功率和疲劳性能模拟

张建, 左浩然, 元国凯, 朱松晔

2022, 40(4): 210-219. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0324

摘要(327) HTML (984) PDF(63)

摘要:
上游风力机旋转引起的尾流效应会对下游风力机的输出功率和疲劳特性产生显著影响。本文选用美国国家可再生能源实验室开发的FAST.Farm开源程序，基于准稳态条件下雷诺平均Navier-Stokes薄剪力层近似解，研究了不同布局情况下处于尾流场风力机的功率特性和疲劳性能。结果表明，尾流场中平均风速与湍流强度的变化规律不一致。尾流场中风力机的输出功率与风速变化相对应，随着距离增加呈现单调增长的趋势。参考乌鲁木齐和西宁两地的实测风速概率分布曲线，确定了叶根和塔底位置的疲劳寿命。叶片在低风速区间，风速损失对疲劳性能的影响程度相比于湍流强度的影响更为明显。因此，对于水平面内不同布局，处于尾流场中的风力机的叶片疲劳性能有一定程度的改善，但在（X = 4.0D，Y = 0D）位置处疲劳寿命出现明显缩短。相比于叶片而言，水平面内不同位置（除Y = 1.5D平面外），塔底疲劳寿命均存在不同程度的衰减。上述结论可为大型风电场布局设计和优化布置提供理论依据和设计参考。

百米级大柔性风电叶片非线性气弹响应分析

钱晓航, 郜志腾, 王同光, 王珑, 柯世堂

2022, 40(4): 220-230. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0321

摘要(442) HTML (1402) PDF(81)

摘要:
随着风电叶片迈入百米量级，叶片尺寸和柔性持续增大，几何非线性对叶片结构动态响应的影响更加明显。为解决大柔性叶片的非线性气动弹性计算问题，采用基于Legendre谱有限元的几何精确梁理论，耦合叶素动量理论，建立了大尺寸风电叶片气动弹性分析方法，通过带有预弯的悬臂梁算例验证了几何精确梁模型的准确性。最后，以NREL 5 MW和IEA 15 MW风力机为例，分别采用线性模态叠加法和非线性几何精确梁方法计算了61.5 m叶片和117 m叶片在全工况稳态风和湍流风条件下的动态响应。结果表明，从5 MW到15 MW风力机叶片，由于几何非线性效应引起的叶尖挥舞位移和叶根挥舞弯矩数值偏差分别增加21.35%和21.23%，叶片一阶摆振模态频率也存在3.2%的偏差。百米级叶片非线性效应对叶片动态响应、摆振模态等气动弹性特性影响较大，应充分考虑非线性气动弹性对叶片设计的影响，以保障风力机的运行安全性。

浮式风力机运动形式对尾迹大尺度运动的影响

李曌斌, 董国丹, 秦建华, 周志登, 杨晓雷

2022, 40(4): 231-239. doi: 10.7638/kqdlxxb-2022.0057

摘要(160) HTML (1349) PDF(37)

摘要:
为研究浮式风力机尾迹在平台运动下的演化特征和机理，本文通过线性稳定性分析和大涡模拟方法，分析了浮式风力机在纵荡、横荡和艏摇三种形式下作简谐运动时的尾迹。利用线性稳定性理论，用周向波数表示了不同运动形式引起的尾迹扰动，预测了尾迹在轴对称和非轴对称两种理想扰动下的敏感频率。稳定性分析表明：当纵荡运动的无量纲频率在0.3 ≤ St ≤ 0.5时最易引发尾迹失稳；横荡和艏摇运动的最敏感频率在0.2 ≤ St ≤ 0.4范围内；在三种运动形式下，低频（St ≤ 0.1）和高频（St ≥ 1.0）扰动均不会明显增长。随后，利用大涡模拟研究了不同形式、不同频率的浮式风力机刚体运动对尾迹产生的影响，检验了线性稳定性理论预报浮式风力机尾迹失稳演化的能力，并比较了不同运动形式、频率下的尾迹动态特征。研究结果表明：在St = 0.3条件下，远尾迹在风力机纵荡运动下出现交替的收张运动，而在横荡、艏摇状况下将发生侧向的蜿蜒，将对下游风力机施加较大的交变载荷；在St = 0.1和St = 1.0的各形式运动影响下，尾迹均未发生明显的大尺度运动，不会对下游风力机的动态载荷产生明显的影响。最后，从风力机尾迹演化的角度讨论了浮式风力机设计中应重点考虑的刚体运动形式和频率范围，指出应慎重评估无量纲频率在St = 0.3附近的风力机运动对尾迹演化的作用。

浮体平台运动对浮式风电机组气动特性影响风洞试验

王新宝, 李庆安, 蔡畅, 王泽坤, 王腾渊, 陈晔雯, 杨英健

2022, 40(4): 240-246. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0336

摘要(211) HTML (1272) PDF(30)

摘要:
浮式风电机组作为一种大型海洋结构物和刚柔旋转体，其运行受到海风-波浪-洋流的组合扰动，服役环境恶劣，多体多场耦合动力学行为极其复杂，严重阻碍浮式风电技术的发展。针对该问题，本文进行了浮体平台运动下浮式风电机组模型的气动特性试验研究。通过六自由度平台控制机组模型不同的纵摇运动模式，进行定常风速下的风洞试验，获得了不同纵摇振幅下的气动性能变化规律。在静态倾斜测试中，功率系数随着纵摇角度的增大而减小，俯仰力矩系数和偏航力矩系数随着纵摇角度的增大而增大。动态测试的结果表明，纵摇状态下的力矩系数存在迟滞效应，且随着振幅的增大，迟滞效应明显增强，其中偏航力矩系数波动为逆时针方向，俯仰力矩波动为顺时针方向。本文揭示了平台纵摇运动对浮式风电机组气动特性的影响规律，对于厘清风-浪-流组合扰动下的气动-水动-伺服-弹性多体多场耦合机制具有重要意义。

阵风工况下多台风力机尾流效应的非定常特性

曹九发, 宋佺珉, 王超群, 朱卫军, 柯世堂

2022, 40(4): 247-255. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0309

摘要(202) HTML (1371) PDF(56)

摘要:
风力机实际运行中入流工况复杂，风电场中多台风力机之间的尾流效应呈现高度非定常特性，下游风力机的气动载荷亦会因此受到严重影响。本文开展了阵风工况下多台风力机尾流效应的非定常特性研究。首先，建立了LES耦合致动线模型方法，以Nibe风力机为算例验证了方法的可行性和准确性，并研究了单台风力机尾流速度的发展规律；然后，以NREL 5 MW大型风力机为例，开展了多台风力机在阵风工况下的数值模拟，获得了非定常尾流效应和尾流干扰特性，揭示了尾流中阵风涡系的发展演变规律；最后，分析总结了阵风工况下的风力机气动载荷特性。研究内容及结论对风电场布局和风力机载荷强度设计具有指导意义。

留言板

2022年第40卷第4期

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