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风力发电是一种绿色、低碳和环保的新能源,然而风力机服役期间常受到沙尘、潮湿、碎石和高风速等恶劣条件影响,并且在高风速条件下,风力机叶片易受到周期性空气动力的影响,导致叶片发生振动,不仅降低叶片使用寿命还存在安全隐患。为此,基于风力机空气动力学及流固耦合理论,在不同风速、攻角和材料等因素下对风力机叶片进行流固耦合计算,并得到叶片的模态特性、流场特征以及振动位移沿程变化规律,以期为风力机稳定运行和风力发电发展提供参考。本文的主要工作和研究结果如下:1.验证本文中流固耦合方法的有效性。以不同来流风速下圆柱绕流算例压力系数的变化趋势为标准,采用k-ω湍流模型与其对比,发现两条压力系数曲线的变化趋势类似且分离点均在80°左右;利用ANSYS软件获得定常流场的扭矩、功率和截面压力系数并与风洞实验值进行对比,总体上比较吻合但在10~20 m/s的区间内获得功率和扭矩以及风速为10 m/s时30%截面压力系数略高于实验值,这是受失速延迟的影响;采用-kωSST湍流模型对薄平板进行双向流固耦合验证,发现计算结果中振动频率、周期和平板自由端中部监控点位移量变化趋势与实验值吻合较好。2.风力机单叶片流固耦合分析。在来流风速为15~50 m/s下,采用-kω湍流模型进行单叶片双向流固耦合模拟,通过叶片吸力面压力云图和Y向振动位移云图显示振动最大位移量产生在叶尖部分,叶片的最大压力分布在叶片前缘;不同风速的振动位移随时间变化表明,最大位移与风速成正比且当来流速度为15 m/s时振幅最小(0.5254 mm),振幅在来流速度为50 m/s时达到最大值(4.7282 mm),约是最小振幅的9.0倍。3.风力机旋转双叶片流固耦合分析。在不同风速范围(20 m/s、30 m/s、40 m/s及50 m/s)与攻角范围(-5°、-3°、-1°、0°、1°、3°及5°)的组合工况下,采用-kωSST湍流模型对玻璃纤维叶片进行双向流固耦合分析表明,当攻角为0°时,不同风速的最大振动位移分别为0.1432 m、0.2014 m、0.2932 m和0.3464 m。分析各工况叶片截面流场情况,发现风速越大流动现象越复杂,形成旋涡的覆盖面积分布越广,流动分离现象越明显。4.为了提高对比度,在相同条件下进行碳纤维叶片的双向流固耦合分析,发现攻角为0°时不同风速的最大振动位移分别为0.0450 m、0.0636 m、0.0935 m和0.1128 m,相比玻璃纤维最大振动位移降低了68.58%、68.42%、68.11%和67.44%。与玻璃纤维叶片相比,碳纤维表现出更为良好的减振性能,由于基体阻尼较高和内部增强填充物的存在使得振动过程可以快速消耗能量,宏观表现在叶片振动位移的降低,进而可以减小叶片发生破坏的可能性,使用碳纤维材料可以有效延长风力机安全运行的服役寿命。风力机叶片材料的合理选择,有效地降低了叶片振动位移,增加了风力机稳定电力输出和安全运行的服役寿命,有利于风电技术的进一步发展。图[39]表[8]参[71]