基于无网格/有限元流固耦合风电柔性叶片动态气动弹性的分析方法与优化研究

For the time-consuming remeshing in dynamic aeroelasticity analysis and design of wind turbine flexible blade, this project will develop the research of efficient algorithm of fluid-structure interaction analysis and optimization by integrating the meshless and finite element method, and present a kind of new design and analysis method for flexible blade.The influence of the kernel functions, the interpolation basis fuctions on flow field simulation precision of blade structure is discussed by employing the meshless as the computation method of fluid analysis, and the effect mechanism of blade elastic vibration on the blade flow field and its performance will be clarified. When the loose coupling mode is used between the node in fluid domain and finite element in solid domain, the forms of load transfer and deformation transfer, and interpolation model at the interfaces of fluid-structure is studied. By using the GPU acceleration parallel computation method, the research of dynamic aerodynamic characteristics and aeroelastic load of flexible blade will be launched, and it turns out that the solving method of dynamic aeroelastic analysis for wind turbine flexible blade could be achieved. When the minimum blade weight and the maximum annual energy output are chosen as the optimization objection function, and making an optimal model of blade flexiblity design is researched, and the parallel solved algorithm of optimal model is deduced by integrating genetic algorithm and GPU acceleration method. Finally, the model and algorithm created will be improved on the basis of the test results.The results obtained will contribute to the flexibility and lightweight design of wind turbine blade.

本项目将无网格法与有限元法相结合，对风力机柔性叶片设计及其动态气动弹性分析中耗时的网格重构，开展流固耦合分析与优化的高效算法研究，为柔性叶片提供一种新的设计与分析方法。将无网格法引入到叶片的流场分析，探讨其核函数、插值基函数等对叶片流场模拟精度的影响，并阐明叶片振动对叶片流场及其性能的影响机制；采用弱耦合形式，研究流场域的无网格节点与固体域有限单元之间的载荷传递与变形传递形式及其插值模型；结合GPU加速并行计算方法，对柔性叶片的动态气动特性和气动弹性载荷开展研究，开发一种求解风力机柔性叶片动态气动弹性的分析方法；在此基础上，以叶片重量最小化、年发电量最大化为优化目标，研究叶片柔性化设计优化模型的建立，并探讨遗传算法和GPU加速相结合的并行求解优化算法；最后根据实验测试结果，对所建模型和算法进行修正和完善。所取得的成果将有助于风力机叶片向柔性化、轻量化发展。

本项目将无网格法与有限元法相结合，对风力机柔性叶片设计及其动态气动弹性分析中耗时的网格重构，开展流固耦合分析与优化的高效算法研究，为柔性叶片提供一种新的设计与分析方法。采用交叉节点对法和CSR存储格式，结合局部搜索方法提出了一种无网格Galerkin法的改进算法，并将其扩展到复合材料及其传热性能的仿真分析中。开展了基于无网格Galerkin法的流场仿真分析研究，提出了采用二套节点法以消除流场仿真中的数值振荡现象，并探讨了相关参数对计算精度的影响，将迎风格式、稳定格式等与无网格Galerkin法相结合，提高了流场仿真的计算精度，构造了一种计算点的偏心支持域，并完成了相关翼型的流场仿真计算；提出了一种基于无网格Galerkin法的GPU并行加速算法，探讨了影响加速比的因素，并将其应用到结构拓扑优化中；采用RBF推导了流固耦合界面数据的传递矩阵，对数据传递过程中的误差进行了分析；得到了基于GPU并行加速的FE-EFG耦合分析算法，并实现了CPU-GPU的双并行计算，得到了风力机柔性叶片动态气动弹性的分析方法。探讨了考虑层流分离的低速风力机叶片翼型的气动性能，得到了风轮旋转速度对风力机尾迹域流场的影响规律；建立了柔性叶片翼型气动性能分析的流固耦合模型，探讨了柔性叶片在不同工况下的振动特性，以及在预应力条件下带小翼风力机叶片的振动特性和响应分析；通过对翼型进行优化，建立了2MW风力机叶片及风轮模型，研究了其失速气动性能，得到了叶片桨距角与风速之间的关系；提出了一种能自动调节风力机柔性叶片刚度的装置，并研发了一种新型的无叶片风力机；最后对部分仿真分析结果进行了实验测试。本项目所取得的成果可为风力机柔性叶片的仿真分析和设计提供理论基础。