【摘要】：風(fēng)力發(fā)電是一種綠色、低碳和環(huán)保的新能源,然而風(fēng)力機(jī)服役期間常受到沙塵、潮濕、碎石和高風(fēng)速等惡劣條件影響,并且在高風(fēng)速條件下,風(fēng)力機(jī)葉片易受到周期性空氣動(dòng)力的影響,導(dǎo)致葉片發(fā)生振動(dòng),不僅降低葉片使用壽命還存在安全隱患。為此,基于風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)及流固耦合理論,在不同風(fēng)速、攻角和材料等因素下對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行流固耦合計(jì)算,并得到葉片的模態(tài)特性、流場(chǎng)特征以及振動(dòng)位移沿程變化規(guī)律,以期為風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行和風(fēng)力發(fā)電發(fā)展提供參考。本文的主要工作和研究結(jié)果如下:1.驗(yàn)證本文中流固耦合方法的有效性。以不同來流風(fēng)速下圓柱繞流算例壓力系數(shù)的變化趨勢(shì)為標(biāo)準(zhǔn),采用k-ω湍流模型與其對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩條壓力系數(shù)曲線的變化趨勢(shì)類似且分離點(diǎn)均在80°左右;利用ANSYS軟件獲得定常流場(chǎng)的扭矩、功率和截面壓力系數(shù)并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,總體上比較吻合但在10~20 m/s的區(qū)間內(nèi)獲得功率和扭矩以及風(fēng)速為10 m/s時(shí)30%截面壓力系數(shù)略高于實(shí)驗(yàn)值,這是受失速延遲的影響;采用-kωSST湍流模型對(duì)薄平板進(jìn)行雙向流固耦合驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果中振動(dòng)頻率、周期和平板自由端中部監(jiān)控點(diǎn)位移量變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。2.風(fēng)力機(jī)單葉片流固耦合分析。在來流風(fēng)速為15~50 m/s下,采用-kω湍流模型進(jìn)行單葉片雙向流固耦合模擬,通過葉片吸力面壓力云圖和Y向振動(dòng)位移云圖顯示振動(dòng)最大位移量產(chǎn)生在葉尖部分,葉片的最大壓力分布在葉片前緣;不同風(fēng)速的振動(dòng)位移隨時(shí)間變化表明,最大位移與風(fēng)速成正比且當(dāng)來流速度為15 m/s時(shí)振幅最小(0.5254 mm),振幅在來流速度為50 m/s時(shí)達(dá)到最大值(4.7282 mm),約是最小振幅的9.0倍。3.風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)雙葉片流固耦合分析。在不同風(fēng)速范圍(20 m/s、30 m/s、40 m/s及50 m/s)與攻角范圍(-5°、-3°、-1°、0°、1°、3°及5°)的組合工況下,采用-kωSST湍流模型對(duì)玻璃纖維葉片進(jìn)行雙向流固耦合分析表明,當(dāng)攻角為0°時(shí),不同風(fēng)速的最大振動(dòng)位移分別為0.1432 m、0.2014 m、0.2932 m和0.3464 m。分析各工況葉片截面流場(chǎng)情況,發(fā)現(xiàn)風(fēng)速越大流動(dòng)現(xiàn)象越復(fù)雜,形成旋渦的覆蓋面積分布越廣,流動(dòng)分離現(xiàn)象越明顯。4.為了提高對(duì)比度,在相同條件下進(jìn)行碳纖維葉片的雙向流固耦合分析,發(fā)現(xiàn)攻角為0°時(shí)不同風(fēng)速的最大振動(dòng)位移分別為0.0450 m、0.0636 m、0.0935 m和0.1128 m,相比玻璃纖維最大振動(dòng)位移降低了68.58%、68.42%、68.11%和67.44%。與玻璃纖維葉片相比,碳纖維表現(xiàn)出更為良好的減振性能,由于基體阻尼較高和內(nèi)部增強(qiáng)填充物的存在使得振動(dòng)過程可以快速消耗能量,宏觀表現(xiàn)在葉片振動(dòng)位移的降低,進(jìn)而可以減小葉片發(fā)生破壞的可能性,使用碳纖維材料可以有效延長(zhǎng)風(fēng)力機(jī)安全運(yùn)行的服役壽命。風(fēng)力機(jī)葉片材料的合理選擇,有效地降低了葉片振動(dòng)位移,增加了風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定電力輸出和安全運(yùn)行的服役壽命,有利于風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。圖[39]表[8]參[71]
【圖文】：

圖 1 中國(guó) 2006-2018 年新增和累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量Fig.1 China's new and accumulated installed wind power capacity from 2006 t圖 2 中國(guó) 2013-2018 年海上風(fēng)電新增和累計(jì)裝機(jī)容量2 China's new and accumulated installed offshore wind power capacity from 20機(jī)是一種大型機(jī)械設(shè)備，其使用風(fēng)能作為輸入能量來產(chǎn)生機(jī)械能

05000100001500020000250002006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018機(jī)容量/萬千瓦裝新增裝機(jī)累計(jì)裝機(jī)圖 1 中國(guó) 2006-2018 年新增和累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量Fig.1 China's new and accumulated installed wind power capacity from 2006 t
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM315

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2635987