多自由度风力机柔性叶片桨涡干扰问题的研究

The strong tip vortices which are released from the tip of the blades and the unsteady aerodynamics of the blade section are two key areas that need serious consideration for the complex unsteady flow feature of wind turbines. The close blade-vortex interaction which results in strong temporal pressure variations has a strong impact on the aerodynamic performance of wind turbine, variation of the rotor blade air-loads and the aeroelastic-hydrodynamic stability for the offshore floating wind turbine system..This project is planned to focus on the understanding and analyzing the mechanism of the multiple degrees of freedom of the wind turbine blade-vortex interaction and the dissipation, diffusion, interaction of the viscous tip vortex during the wake transportation after the blade-vortex interaction, (1) Develop a viscous vortex model for calculating the complicated wind turbine rotor near wake flow field with the vorticity transportation and diffusion based on the theoretically study. (2) Wind tunnel test will be setup to explore the identification method of the flow characteristic for the complicated flow field near the rotor and the strong viscous tip vortex. (3) Develop a fast multi-scale numerical model for the aerodynamic performance prediction of multiple degrees of freedom of wind turbine with flexible blade which can be used for the wind turbine performance, loads, aeroelastic, control and vibration analysis.

风力机叶片近场复杂流动和强烈的叶顶叶尖涡是风力机转子近体非定常流场的重要特征。受叶片及塔架柔性形变，浮式风力机组基础、波浪等震荡作用影响，在多自由度运动下柔性叶片及叶尖涡相互耦合的桨-涡效应产生的非定常气动力对风力机的气动性能、载荷特征及气弹、水动力等多物理场耦合作用的稳定性问题有着重要影响。.本项目紧密围绕认识和分析多自由度运动机制下风力机桨-涡干扰问题，桨-涡干扰之后近场粘性叶尖涡破裂、合并、缠绕及耗散的发展机理这一关键科学问题，(1)进行风力机柔性叶片桨-涡干涉问题的理论研究，完成适用于风力机特有流动特征“粘性涡”计算方法；(2) 开展计及叶片柔性的风力机桨-涡干涉问题的实验研究，分析叶片近场流场及叶尖涡的影响尺度；(3) 建立桨-涡干扰分区的多尺度数值计算方法，完成可考虑多自由度运动及叶片柔性特征的风力机气动性能快速计算模型，以满足风力机性能，载荷、气动弹性、控制及振动分析的需要。

本项目将紧密围绕认识和分析风力机桨-涡干扰问题的机理，以及桨-涡干扰之后近场粘性叶尖涡的破裂、合并、缠绕及耗散的发展机理这一关键科学问题，1.建立体现粘性涡涡量运输的运动学和动力学方程，在此基础上建立以近场叶尖涡为直接求解对象的粘性涡发展模型。2.采用非接触式流场测量技术对叶片近体区域以及风力机近场流场进行测量，以验证数值计算方法对流场细节的捕捉能力；3.建立可快速计算涡元间互诱导速度的数学方法，并在此基础上建立多自由度下风力机气动性能预测模型。.基于时间步进法，推导了自由尾迹的控制方程以及离散格式，对差分算法的稳定性进行了分析和改进，确定了空间和时间步长。基于预测模型研究分析风力机在叶片桨距角突变时的过冲以及下冲现象。通过建立的塔架影响模型，研究了塔架对风力机运行时的气动性能影响。对实验拍摄得到的流场速度信息进行分析，讨论了叶尖涡的形成和发展过程，对风力机三维现象中的叶尖涡在不同尾迹寿命角时刻的变化进行定量分析，并结合现有涡核模型定量描述风力机叶尖涡的特性。对风力机在不同浮台自由度运动条件下的非定常气动性能进行预测分析，分析了在浮式平台在纵摇和纵荡条件下的非定常气动性能。考虑叶片柔性特征时，当作用有气动扭矩，叶片发生了较明显的低头即沿顺桨方向的扭转变形。叶片低头扭转变形导致其上的气动力明显下降，因此导致风轮输出功率出现显著降低。