【摘要】：風力發(fā)電是一種綠色、低碳和環(huán)保的新能源,然而風力機服役期間常受到沙塵、潮濕、碎石和高風速等惡劣條件影響,并且在高風速條件下,風力機葉片易受到周期性空氣動力的影響,導致葉片發(fā)生振動,不僅降低葉片使用壽命還存在安全隱患。為此,基于風力機空氣動力學及流固耦合理論,在不同風速、攻角和材料等因素下對風力機葉片進行流固耦合計算,并得到葉片的模態(tài)特性、流場特征以及振動位移沿程變化規(guī)律,以期為風力機穩(wěn)定運行和風力發(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.驗證本文中流固耦合方法的有效性。以不同來流風速下圓柱繞流算例壓力系數(shù)的變化趨勢為標準,采用k-ω湍流模型與其對比,發(fā)現(xiàn)兩條壓力系數(shù)曲線的變化趨勢類似且分離點均在80°左右;利用ANSYS軟件獲得定常流場的扭矩、功率和截面壓力系數(shù)并與風洞實驗值進行對比,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速為10 m/s時30%截面壓力系數(shù)略高于實驗值,這是受失速延遲的影響;采用-kωSST湍流模型對薄平板進行雙向流固耦合驗證,發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果中振動頻率、周期和平板自由端中部監(jiān)控點位移量變化趨勢與實驗值吻合較好。2.風力機單葉片流固耦合分析。在來流風速為15~50 m/s下,采用-kω湍流模型進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向振動位移云圖顯示振動最大位移量產(chǎn)生在葉尖部分,葉片的最大壓力分布在葉片前緣;不同風速的振動位移隨時間變化表明,最大位移與風速成正比且當來流速度為15 m/s時振幅最小(0.5254 mm),振幅在來流速度為50 m/s時達到最大值(4.7282 mm),約是最小振幅的9.0倍。3.風力機旋轉(zhuǎn)雙葉片流固耦合分析。在不同風速范圍(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湍流模型對玻璃纖維葉片進行雙向流固耦合分析表明,當攻角為0°時,不同風速的最大振動位移分別為0.1432 m、0.2014 m、0.2932 m和0.3464 m。分析各工況葉片截面流場情況,發(fā)現(xiàn)風速越大流動現(xiàn)象越復雜,形成旋渦的覆蓋面積分布越廣,流動分離現(xiàn)象越明顯。4.為了提高對比度,在相同條件下進行碳纖維葉片的雙向流固耦合分析,發(fā)現(xiàn)攻角為0°時不同風速的最大振動位移分別為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)部增強填充物的存在使得振動過程可以快速消耗能量,宏觀表現(xiàn)在葉片振動位移的降低,進而可以減小葉片發(fā)生破壞的可能性,使用碳纖維材料可以有效延長風力機安全運行的服役壽命。風力機葉片材料的合理選擇,有效地降低了葉片振動位移,增加了風力機穩(wěn)定電力輸出和安全運行的服役壽命,有利于風電技術(shù)的進一步發(fā)展。圖[39]表[8]參[71]
【圖文】：

圖 1 中國 2006-2018 年新增和累計風電裝機容量Fig.1 China's new and accumulated installed wind power capacity from 2006 t圖 2 中國 2013-2018 年海上風電新增和累計裝機容量2 China's new and accumulated installed offshore wind power capacity from 20機是一種大型機械設備，其使用風能作為輸入能量來產(chǎn)生機械能

05000100001500020000250002006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018機容量/萬千瓦裝新增裝機累計裝機圖 1 中國 2006-2018 年新增和累計風電裝機容量Fig.1 China's new and accumulated installed wind power capacity from 2006 t
【學位授予單位】：安徽理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM315

【參考文獻】

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本文編號：2635987