大型风电叶片风能吸收机理及气弹稳定性若干基础问题的研究

风能是目前世界上发展最快的可再生清洁能源。研究大型风电叶片的能量捕获机理及风电长叶片的气弹稳定性问题，对提高风能利用率及机组运行的安全性具有重要意义。相对于航空机翼，风电叶片的运行环境具有风速低、风速风向多变等特点，从物理本质上开展风电叶片设计理论与设计方法的研究是风电叶片研究的根基；风电叶片的根部到中部之间必须选用相对厚度较大的翼型，对于这类叶片，即使采用变桨或变速调控，某些部位的攻角仍然可能很大，流动分离难以避免；风电长叶片柔性大，在气动载荷、离心力及其它载荷的作用下，叶片变形大，气弹耦合振动显著。本项目针对风电场的基本特点，将开展风电翼型的气动反问题、多工况点反问题、非定常反问题研究；对风电叶片上流动控制机理进行系统深入的探讨，获得提高风电叶片气动性能的各种附属结构的型式及参数；研究预弯－预扭－预应力叶片的增升减阻及气弹稳定性特征，研究这种叶片的塔影、偏航、风切变等非定常流动特性。

我国不同地域的风资源特点及风电叶片大型化,给风电叶片的基础研究提出了新的挑战。研究大型风电叶片的能量捕获机理及大型风电叶片的气弹耦合问题具有重要意义。本项目从物理本质上开展了风电叶片的翼型设计、叶片设计理论与设计方法的研究。.针对风电场的基本特点,开展了风力机专用翼型的性能评估体系的研究,归纳出适合中国风资源特点的翼型特性需求,提出了基于翼型综合性能的设计原则,开展了风电翼型的气动正、反问题研究;完成了雷诺数为三百万的CAS-W1翼型族的设计和对典型翼型的性能进行研究的实验工作。该系列翼型具有大厚度和钝尾缘的几何特征,且具有较高的升阻比、较大的升力系数、较为平缓的失速特性。该系列翼型初步满足了大型风电叶片的设计需求,并已在实际叶片设计中得到了应用。.开展了包括漩涡发生器、扰流器、尾缘襟翼、无质量射流、肋条与凸凹前缘等主、被动控制方法对风电叶片流动减阻增升作用的机理研究。提出了考虑旋转效应的漩涡发生器数值模型,开展了漩涡发生器抑制大厚度、钝尾缘翼型流动分离的研究,该方法已应用于实际叶片的设计体系中;通过对尾缘襟翼的尺寸和偏斜角度参数的研究,发现尾缘襟翼长度、偏斜角度,形状函数适当时,翼型的综合性能较好;对风力机翼型上使用无质量射流的研究表明,当射流出口宽度、合成射流作用位置、吹气速度比、无量纲激励频率合适时,使用无质量射流可以达到显著的改善翼型整体气动性能的效果。.基于高精度的CFD方法、CFD和制动线相结合的方法以及切片段模型，开展了大型风力机叶轮的塔影、偏航、风切变等非定常流动特性的研究，得到了一些对大型风力机设计具有指导意义的结论。.基于粒子群优化算法，开展了基于真实风电叶片复合材料结构的刚度、固有频率等结构性能评估及优化设计方法的研究，并实际应用于多个叶片设计当中。基于正交方法,开展了后掠参数对叶片气动特性及气弹特性影响的研究，并对参数进行了优化。.开展了风力机变工况特性及与其它用能机械耦合特性的研究，获得了不同风速条件下风力机与其他用能机械之间的耦合规律；开展了Savonius转子优化布局方法的研究，发现合理的布局可以显著提高Savonius转子的能量利用率。开展了不同类型漂浮式风力机的动态响应研究，获得了多种风力机在波浪与漂浮平台共振时的动态响应特性以及载荷变化规律。