自然条件（外场条件）下水平轴风力机风轮和叶片的气动特性研究

Wind turbines operate in the natural unsteady aerodynamic environments (Field conditions) in which wind with turbulence and wind shear always quickly changes in magnitude and direction, so the characteristics of wind turbines behave in nonlinearity and unsteadiness. .On the background of MW scale Horizontal Axis Wind Turbines (HAWT) and the wind farms located in the northwest of our country, relying on the established experimental system in the field ,targeting a sing HAWT for field experiments and ensuring the exactness of the measurement and calculation, by means of the experiments, theoretical calculations and analyses, according to the blade position in the circumference of the rotor of the HAWT at different time, the aerodynamic loads exerting on the rotor and blade and the aerodynamic characteristics of the rotor of the HAWT can be obtained by measuring the aerodynamic characteristics of the rotor and the pressure distribution on the surface of the blade corresponding to the wind speed, wind shear and turbulence when the wind is blowing in the main and lateral directions..Furthermore, the aerodynamic characteristics of the rotor and blade of the HAWT also can be investigated, so the relationship between the wind turbulence and the aerodynamic characteristics of the rotor and blade of the HAWT and the relationship between the wind shear and the aerodynamic characteristics of the rotor and blade of the HAWT can be found under the field conditions, which will supply the evidences to reveal the three dimensional unsteady rotational aerodynamic characteristics of the rotor of the HAWT operating in the natural environments.

在自然条件（外场条件）下，风力机总是在风速大小和方向快速变化的非定常空气动力环境里运转，并经受高度的湍流和风剪切，其特性呈现出高度的非线性和非定常性。本课题将以兆瓦级风力机和我国西北陆地风场为背景，依托已搭建的水平轴风力机外场实验平台，以孤立的风力机为对象，在保证流场测量和计算的准确性基础上，主要通过实验和理论计算及分析，通过测量主风向和侧风时，不同风速、风剪切和不同湍流度下，风力机风轮和叶片在不同时刻和位置时的风轮气动特性和叶片表面流场的状况（压力分布等），得出在外场条件下风轮和叶片相应的荷载分布和风力机风轮的气动特性，进而研究自然条件下水平轴风力机风轮和叶片的气动特性，建立起自然条件（外场条件）下，来流湍流度与水平轴风力机风轮和叶片气动特性的关系和来流风剪切与水平轴风力机风轮和叶片气动特性的关系, 为揭示自然条件（复杂风况）下风力机风轮三维旋转非定常空气动力学特性提供依据。

本课题以兆瓦级风力机和我国西北陆地风场为背景，依托已搭建的水平轴风力机外场实验平台，以孤立的风力机为对象，在保证流场测量和计算准确性基础上，主要通过实验和理论计算及分析，测量主风向和侧风时，不同风速、风剪切和不同湍流度下，风力机风轮和叶片在不同时刻和位置时的风轮气动特性和叶片表面流场的状况（压力分布等），得出如下结论：①在剪切来流下，风轮上游来流风速随方位角的波动曲线偏离由理论计算所得到的风速波动曲线，风速沿高度方向的速度梯度以及尾流的旋转效应导致尾流区轴向速度呈现非对称性分布，轮毂上方叶尖涡和叶根涡的移动速度大于轮毂下方叶尖涡和叶根涡的移动速度，同时，风力机叶片和风轮的气动载荷随方位角呈正余弦变化趋势，当风剪切指数由0.1增大到0.5时， 风轮转矩和推力的均方根分别减小了2.28%、1.43%，但其波动幅值随风剪切指数的增大而增大。并且，风轮转矩和推力随方位角的波动曲线存在相位偏移现象，风剪切指数越大，相位偏移现象越明显；风轮偏航力矩和倾覆力矩的均方根分别增大了4.07倍、4.04倍，且其波动幅值随风剪切指数的增大而增大；②在基于风切变指数模型和改进VonKarman模型，分别采用谐波叠加法（HSM）和自回归滑动平均法（ARMA）的研究中，HSM法所模拟出脉动风速的功率谱与目标谱更加吻合，3种方法自相关性都随时间增大而减小，其中ARMA法和软件模拟结果的自相关性较好；HSM法互相关系数极差值在8.49 m、11.31 m、19.80 m的间距上分别为0.7649、0.5807、0.4387，其互相关系数随间距增大而减小，更符合实测结果；③本课题从叶片的气动设计和结构设计入手，同时考虑两者之间的耦合关系，结合目前应用较为广泛的动量叶素理论和梁理论设计方法，认为，在一定程度上静气动弹性效应能够提高叶片气动性能。通过该项目的研究，建立起了自然条件（外场条件）下，来流湍流度水平、风剪切与水平轴风力机风轮和叶片气动特性关系的数据库，为揭示自然条件（复杂风况）下风力机风轮三维旋转非定常空气动力学特性提供依据。