漂浮式风电机组三维流动及动态失速特性研究

漂浮式风电机组是海上风电机组的一种新的形式，在海上湍流风场与随机波浪等复杂载荷地耦合作用下，机组振荡使得风电叶片表面流动具有区别于陆上风电的明显的三维流动以及动态失速特征。本课题通过在旋转贴体坐标系下，引入非定常N-S方程的谐函数线性化方法，探索建立适用于漂浮式海上风电机组整机非定常数值模拟的复杂气动载荷模拟方法；通过数值模拟和实验研究相结合，进行漂浮式风力机三维流动与动态失速特性研究，揭示振荡状态下攻角幅频变化规律对风力机非定常气动载荷的影响机制；在波浪诱发风力机幅频响应已有实验研究基础上，探索漂浮式风电机组在波浪能、风能耦合作用下的风力机能量捕获机理以及机组控制策略研究。本课题研究成果对波浪能与风能的综合利用具有重要的理论研究价值，对提高海上风资源的利用范围，对风电机组的优化设计和安全运行，提高风能转化效率，对增强我国大型海上风电机组的自主研发能力和推进设备国产化具有重要的意义。

漂浮式风力机是一种用于较深海域风力发电的新技术。在海上湍流风场与随机波浪等复杂载荷的耦合作用下，机组振荡使得风电叶片表面流动具有明显区别于陆上风电的三维流动以及动态失速特征。课题在考察现有的漂浮式风电机组的基础上，结合我国东南沿海多台风的特点，探索建立了适合中国风资源特点和海洋环境的漂浮式风电机组，并通过数值模拟和实验研究相结合的方式，对漂浮式风力机三维流动与动态失速特性进行了深入的研究。.为了提高风力机叶片气动效率和结构强度，降低叶片载荷和重量，对铺层特性对叶片结构强度的影响规律，以及翼型对风力机气动性能的影响规律进行了全面的研究。研究发现适当提高叶片内侧翼型的相对厚度可以有效减小叶片弦长，从而减小叶片质量和载荷。.针对机组振荡引起叶片攻角的动态变化，对俯仰运动翼型的非定常气动特性进行了研究，结果表明动态失速使翼型的失速分离和流动再附均发生了延迟，而且流动再附的过程十分复杂，表现出与静态失速显著不同的规律。为研究风力机中塔架对于整体气动参数的影响，根据叶素理论将风力机整机简化为圆环状的叶片切片段和塔架切片段，从而建立了准三维数值模型，并得到了塔影效应的变化规律。.对漂浮式风电机组普遍采用的大型变速变桨型风力机的气动特性进行了研究，发现额定风速之前，风力机以最优尖速比运行，叶片上的攻角基本不随风速改变，功率和载荷均随风速的增大而增加，主要出功区域和最大载荷所在区域均位于叶片外侧；额定风速之后，叶片变桨使攻角减小，载荷下降，而叶片主要出功区域随风速增大向叶片内侧转移。研究还发现，如不考虑雷诺数效应，高风速时，工程中常用的BEM方法的计算误差将显著增加。.为了对叶片的流动分离和载荷进行有效控制，对涡流发生器的流动分离控制机理进行了研究，并根据有限翼理论和涡模型建立了三角型涡流发生器的数值模型。.基于气动、水动、控制和结构完全耦合模型，对多种形式的漂浮式风力机的动态响应和气动特性进行了计算和分析，发现纵荡运动是漂浮式风力机最主要的运动形式；风速主要影响动态响应的平均值，浪高主要影响波动的幅度；与固定式的稳态值相比，漂浮式风力机的功率平均值基本不变，但载荷平均值增加。对叶片上的攻角和诱导因子变化规律进行了分析，结果表明，叶片内侧的攻角变化幅度较大，而诱导因子变化幅度较小。针对漂浮式风力机动态响应变化规律，设计了风洞实验装置并展了风洞实验研究。