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研究生课程(论文类)试卷2014/2015学年第 1 学期课程名称: 高等流体力学 课程代码: 论文题目:风力机的气动性能及气动弹性问题 学生姓名: 卜庆东 专业、学号: 动力工程、147640152 开课学院: 能源与动力工程学院 日期:2015 年 1 月22日风力机的气动性能及气动弹性问题摘要:中国风电行业发展十分迅速,总装机容量和新增装机容量已达到世界第一 ,主力机型将从兆瓦级发展到多兆瓦级 (5MW), 风资源已从陆地扩展到海上,这些变化将带来一系列新的问题。本文将就目前风力发电行业中的流体力学问题进行综述和探讨, 总结其研究现状及取得的进展。主要包括大气边界层风特性、气动弹性。 此外, 还针对目 前发展迅速的计算流体力学问题进了讨论。最后指出中国风电技术的不足及措施。关键词:风力机 大气边界层 气动弹性1引言进21世纪以来,气候变化呈现越来越剧烈的趋势,部分是温室气体效应所致。作为工业化进程的副作用 之一,二氧化碳 (CO2) 排放加剧了地球气候的变化,受到了人们的极大关注。中国已经从传统农业社会转型为工业化现代国家,GDP总量已经达到世界第二, 在高速发展的同时也消耗了大量化石能源(主要为煤炭),导致 CO2 排放总量已超过美国,成为世界第一,一定程度上招致了国际社会的批评, 成为了中国经济可持续发展的一个阻碍。为了减缓温室气体效应导致的气候变化,探索国民经济可持续发展的道路,世界各国宣布了温室气体排放和化石能源消耗的削减目标,丹麦成为首个承诺到2050年100%使用可再生能源的国家.中国作为发展中国家和排放大国, 对于能源使用和排放做出了自己的承诺.2009年9月,胡锦涛主席在联合国气候变化峰会上提出,到2020年非化石能源占一次能源消耗比重达到15%左右。2009年12月,温家宝总理在哥本哈根气候变化大会上提出了“到2020年,单位GD 能耗在 2005 年的基础上降低40%~50%”的减排目标。 为了实现这一目标,中国制定了可再生能源法,提出了绿色GDP的考核指标。风能是目 前可再生能源中技术相对成熟,并具有规模化开发条件和商业化发展前景的一种能源。中国风资源丰富且已成功商业化,其环境友好性和社会接受程度优于其他可再生能源,因而风能利用在增加能源供应、改善能源结构、保障能源安全、减少温室气体、保护生态环境和构建和谐社会等方面起到重要作用。2 风力机气动性能与载荷计算风力机是风力发电系统的主要设备 ,气动设计是其最关键的技术,也是最困难的技术。气动效率决定了风电机组的发电量,叶片结构和材料设计依赖于输入的气动载荷。但是,气动设计远没有达到成熟的程度,仍面临严重的挑战 ,特别是在风力机越来越大、对风力机载荷计算的精度要求越来越高时更是如此。之所以存在这种问题,是因为风力机是一个在高度复杂的流动环境 (大气湍流边界层及复杂地形)下运动形式高度复杂 (旋转、柔性、三维转动、静动部件等)的气动装备,所面临的是空气动力学领域中最复杂的问题 , 如湍流、 旋涡、流动分离、非定常及气动弹性等,其中很多空气动力学基础科学问 题还远没有解决 。风力机流场的复杂性主要体现在以下几个方面:(1) 来流条件的复杂性。风力机在近地面大气边界层内运转 ,受到地理、地形、气候和风电场中风力机相互干扰等诸多因素的影响,来流条件异常复杂且极不均匀;(2) 流场复杂性。风力机流场不仅是高度非定常的,还常常处于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。(3) 复杂流动干扰。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,尾流作用仍然存在,不仅减小了功率输出 ,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 ”;(4) 缺乏有效的实验装置。风力机的风洞实验研究存在相似律问题 ,而对于外场实验来说,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。(5) 复杂的气动弹性问题 。大型风力机叶片是大挠度的细长体,在气动载荷作用下产生很大变形,这种非定常变形与非定常气动载荷相互耦合作用,不仅改变大型风力机的气动性能 ,而且影响运行的安全性;此外,大型风力机还具有不同于小型风力机的气动特性。首先 ,由于边界层内 风速随高度变化 ,大型风力机叶片运转时对应的平均风速变化要大得多 ,大型风力机叶片转到最高处和最低处的风能量可相差 50%;而对小型风力机而言 , 这种风剪切效应可以忽略不计 。更为重要的是,大

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