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风力机空气动力学面临的挑战 王同光 南京航空航天大学航空宇航学院 江苏省南京市御道街29号 Email：tgwang@nuaa．edu．cn 摘要：风力机在复杂环境和载荷下工作，涉及的流动问题高度复杂，其效率和安全性直接取决于气动设计 的质量。空气动力学作为风力机研发的首要问题已得到公认，是当前研究的热点，风力机空气动力学目前 已发展为独立的学科和研究领域。 本文概述风力机空气动力学的特殊性及其在计算方面存在的问题和面临的挑战，提出今后风力机空气动力 学研究的主要方向。 1． 引言 风能作为一种无污染、可再生的能源取之不尽用之不竭。由于日益增加的开发，化石类 能源可能在不远的将来被使用殆尽，再加上人们对环境问题和温室效应的日益关切，世界上 公众和各国政府对风能的开发和利用越来越重视，我国政府也己将风力发电技术列为新兴的 高新技术予以支持。现在，世界上风力机技术已经发展到一个新阶段，成为一个高度多学科 的技术，涉及现代机械工程、材料科学、传感器技术、计算机的使用以及新模拟方法和生产 技术的组合，这一切都要归功于对风力机持续不断的研究Ⅲ。 风力机技术中最关键的问题是空气动力学。风力机空气动力学大大促进了风能的开发利 用；反过来，风能开发利用的快速发展也大大促进了风力机空气动力学的发展。由于流场的 相似性，风力机气动设计和分析的方法最初都是借助于直升机旋翼和螺旋桨的相关空气动力 学理论。然而，目前的发展趋势显示，风力机空气动力学已成为一个广泛关注的独立研究领 域。但是，风力机空气动力学中很多关键科学问题还远没有解决，还需要我们通过理论研究、 数值计算和实验研究等各种手段加以逐步解决。本文在介绍风力机气动特性的复杂性后，将 阐述风力机气动计算方法及其面临的挑战。 2．风力机气动特性的复杂性 从外行的角度来看，空气动力学在风力机研究中的应用似乎是一个简单的问题。事实上， 风力机空气动力学在空气动力学中如果不是最复杂的，起码也是最复杂的领域之一。 (1)与飞行器和其他旋转机械不同，风力机在近地面大气边界层内运转，受到地理、 59 地形、气候和风电场中风力机间的相互干扰等诸多因素影响，来流条件异常复杂，使得风力 机所有的气动现象都表现出高度非定常性位1。 (2)除了动态入流，风力机叶片常常工作在深失速和动态失速状态，而目前还缺乏对 非定常失速气动特性的深刻理解，无法全面准确描述动态失速现象和规律D’。 (3)风力机叶片根部和尖部区域的流动是高度三维的，在靠近叶根区域，由于离心力 和科氏力的共同作用而存在显著的三维旋转效应“1；在叶尖区域，大强度叶尖涡的诱导作用 使流动变得更为复杂。 (4)风力机的气动干扰问题更为严重和复杂。风电场中的风力机总是在上游风力机尾 流中运转，存在复杂的尾流干扰。实验研究结果表明，即使在风轮10倍和12倍距离后，下 风向风力机也受到上风向风力机高湍流度尾流的显著影响隋1。这种风速的降低和大湍流度既 减小了功率输出，又增加叶片的非定常载荷，同时影响叶片的气固耦合特性和附加产生气动 噪声。另外，对于下风式风力机，叶片每一转都要通过塔架的尾流区，产生所谓的“塔影效 应”。 (5)风力机的气动实验研究存在固有的困难。对于外场实验来说，高度非定常的风环 境不仅要求数据采集系统必须具有足够的动态响应能力，而且使得采集的数据很难分析和按 照产生原因分解成各自独立的部分。对于风洞实验来说，不仅要实现风场特性的模拟，而且 风力机外形的独特性和尾流与洞壁干扰的修正特别困难。 相对说来，飞机既不存在如此复杂的三维旋转流场，正常飞行时也不存在如此复杂的非 定常失速现象。另外，飞机在恶劣的天气是停止飞行的，而风力机必须在复杂的风环境正常 安全地工作。航空器的正常运行必须避免风力机最基本的、必须面对的非定常空气动力学现 象，而不是为了利用它们而加以研究。因此，现有的飞行器的空气动力学不能解决风力机所 遇到的问题，必须加强对风力机空气动力学的基础研究一“回归基础”。 除了共有的空气动力学现象外，大型风力机还具有大大不同于小型风力机的气动特性。 首先，在大气边界层内，转到不同方位，大型风力机