台风下中/小尺度模式耦合的风力机叶片颤振失稳机理研究

Large-scale wind turbine blades are prone to flutter instability in complex rotating flow structure of typhoon. In the real typhoon, flutter instability mechanism of wind turbine blade is carried out very few home and abroad, and effective analyze means are also lacking. In this project, simulation study in different intensity typhoon based on mesoscale model (WRF) will be carried out, and the high accuracy simulation ability in specific typhoon will be established. In the research, the mesoscale typhoon wind field is combined with the smallscale flow field of wind turbine and the problems of parameters and flow structures transmission, timescale controlling, and cross scale mutations are solved to establish a mesoscale/smallscale(WRF/DES) coupled simulation method for wind turbine flowfield high precision simulation. This method is combined with the finite element model of the wind turbine to establish the CFD/CSD time domain analysis method when the wind turbine remains static in typhoon. On this basis, characteristics and laws in different typhoon regions or different intensity typhoon, the nonlinear dynamic response, the dominant form and frequency response range of flutter, the nonlinear flutter boundary and so on are studied. As a result, the mechanism of wind blade flutter instability in typhoon can be fully revealed. To carry out the research in this project has reality urgency, as well as scientific and engineering significance.

大型风力机叶片在台风的复杂旋转流动结构下极易发生颤振失稳。在真实台风下，研究风力机叶片的颤振失稳机理目前国内外还开展很少，也缺乏有效的分析手段。本项目将基于中尺度模式WRF对不同强度台风开展仿真研究，建立针对特定台风的高精度仿真能力。研究将中尺度台风风场与小尺度风力机流场耦合的方法，解决耦合中的参数和流动结构传递，时间尺度控制、跨尺度突变等问题，建立中/小尺度模式（WRF/DES）耦合的风力机流场高精度模拟方法。进而与整机有限元模型结合，建立台风下风力机静止情况的CFD/CSD时域分析方法。在此基础上，研究在台风不同区域内、不同台风强度下的风力机叶片非线性动态响应、颤振主导形式、频率响应区间和非线性颤振边界等特性及规律，全面揭示风力机叶片在台风下的颤振机理。开展这方面研究工作有现实迫切性，也具有重要的科学和工程意义。

本项目提出了将中尺度台风平均风场与小尺度风力机脉动风场相耦合的方法，利用WRF模式模拟了台风定点风速时程、风向及台风路径，进而拟合了平均风剖面；采用实测台风数据拟合功率谱密度函数，与平均风场耦合生成了小尺度台风脉动风场，并将制动线与大涡模拟LES方法相结合，精细化模拟了大型风力机在台风环境下的尾流流场。本项目基于刚柔耦合的多体动力学方法，建立了考虑载荷传递的大型风力机整机动力学响应的高效计算方法，结合小尺度台风风场输入，计算模拟了台风不同强度，不同区域等工况下大型风力机关键部件的气弹响应。此外，还采用修正的Beddoes-Leishmann动态失速模型，计算了风力机叶片的气动弹性频率和阻尼，从而判断风力机叶片是否发生颤振现象。.模拟结果发现台风涡旋区是最具有台风特色的区域，在横向和竖向具有更高的湍流度，竖直方向强烈的对流结构也从风场的脉动特性和相关湍流结构等结果中得以体现。基于上述模拟的风场以及动力学的仿真计算，发现风力机在台风涡旋区下塔顶的振动幅度是大风区的10倍左右，叶尖位移幅度增加了3.5倍，在真实情况下可能会遭受损坏。涡旋区下的上升气流进一步放大了风力机叶片的摆振极值和幅值，叶片的扭矩均值增加了24.5%，弯矩均值增加了6.28倍，对叶片摆振影响显著。台风下风向变化剧烈急促，不同入流角下的风力机响应结果表明，在停机顺桨状态以及IEC标准规定的停机位置下，叶片在入流角为90度时处于最危险的工况，塔架在在入流角为150度时为最不利的工况。.本项目提出的降尺度方法能够在保证精度的基础上，模拟适用于大型风力机尺度的三维台风场，为实现后续风力机的风振响应分析提供荷载输入。提出的动力学建模方法计算精度高，计算量小，相比于模态综合法构建的模型，能够更好地模拟部件间相互运动对载荷的影响情况，具有较好的应用前景。.在项目执行期内，项目第一负责人作为第一作者发表论文5篇，其中SCI论文3篇， ISTP会议论文1篇，授权发明专利2项，申请3项。作为责任作者录用EI论文1篇。