【摘要】：風(fēng)力機(jī)復(fù)雜運(yùn)行工況和復(fù)雜的隨機(jī)風(fēng)速場使得大型化的風(fēng)力機(jī)的非定常流動(dòng)更加嚴(yán)重,葉片容易產(chǎn)生大變形現(xiàn)象,從而導(dǎo)致明顯的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng),同時(shí)加重了風(fēng)力機(jī)的極限載荷和疲勞載荷。因此,為了提高大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)水平和節(jié)約成本,大型風(fēng)力機(jī)非定常載荷計(jì)算精度以及實(shí)現(xiàn)其載荷減緩研究具有重要意義。采用小波逆變換方法,仿真出相互獨(dú)立的風(fēng)力機(jī)隨機(jī)風(fēng)場,再對(duì)其進(jìn)行空間相關(guān)性修正。分析了三種風(fēng)功率頻譜的差異特點(diǎn),基于改進(jìn)Von karman功率頻譜模型,采用Littlewood-Paley小波基作為小波逆變換的正交基函數(shù)。利用小波系數(shù)和功率頻譜密度函數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了空間相關(guān)性修正,實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)力機(jī)隨機(jī)風(fēng)速場的數(shù)值模擬。并通過時(shí)域分析、頻域分析以及時(shí)頻聯(lián)合分析,得到模擬頻譜與目標(biāo)頻譜吻合較好,結(jié)果體現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)隨機(jī)風(fēng)速場的非平穩(wěn)性、局部相似性和間隙性,具有高非線性風(fēng)速功率頻譜的逼近性,證明了該方法在模擬風(fēng)力機(jī)隨機(jī)風(fēng)場的有效性和準(zhǔn)確性。針對(duì)穩(wěn)態(tài)偏航、動(dòng)態(tài)偏航、風(fēng)剪切和隨機(jī)風(fēng)速場等復(fù)雜工況,復(fù)雜工況模型嵌入到自由渦尾跡方法中。采用Weissinger-L升力面模型進(jìn)行葉片氣動(dòng)模型的簡化。根據(jù)Biot-Savart定律進(jìn)行了誘導(dǎo)速度的求解,引入了Lamb-Oseen渦核模型用于提高尾跡求解的收斂性和準(zhǔn)確性。進(jìn)行了動(dòng)態(tài)失速模型和三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)模型修正,實(shí)現(xiàn)了基于自由渦尾跡方法的大型風(fēng)力機(jī)復(fù)雜工況數(shù)值計(jì)算,通過Phase VI風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算模型的驗(yàn)證。比較了不同復(fù)雜工況的氣動(dòng)載荷和尾跡結(jié)果,得出了風(fēng)力機(jī)在復(fù)雜工況下的氣動(dòng)性能、載荷和尾跡葉尖渦線特性,并計(jì)算出在復(fù)雜工況下的氣動(dòng)載荷超調(diào)量和遲滯時(shí)間。這為拓展自由渦尾跡方法應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)工程的大批工況載荷計(jì)算,提高大型風(fēng)力機(jī)的載荷計(jì)算精度和設(shè)計(jì)水平等具有重要意義。采用有限元方法進(jìn)行風(fēng)力機(jī)葉片模擬,采用線性有限元梁模型和幾何非線性梁模型分別進(jìn)行葉片的簡化。考慮風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)載荷、慣性載荷和重力載荷,建立起大型風(fēng)力機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程,通過Newmark方法進(jìn)行求解,采用Newton-Raphson方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)部迭代收斂的求解,實(shí)現(xiàn)了自由渦尾跡耦合有限元方法的大型風(fēng)力機(jī)非定常載荷計(jì)算。得出了考慮結(jié)構(gòu)耦合影響后,大型風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能和尾跡區(qū)別,以及線性有限元模型和幾何非線性有限元模型的風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)區(qū)別。結(jié)果表明了考慮大型風(fēng)力機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)耦合影響和幾何非線性的重要性,這為提高大型風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和非定常載荷計(jì)算精度具有重要意義。采用柔性尾緣襟翼的控制方式,安裝在靠近葉尖處,設(shè)定偏轉(zhuǎn)幅值為±20°,實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)載荷減緩。并且采用CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,以及SST k??模型進(jìn)行尾緣襟翼的氣動(dòng)性能研究。通過動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)中的彈簧網(wǎng)格模擬尾緣襟翼舵的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn),進(jìn)行了不同尾緣襟翼偏轉(zhuǎn)速率和不同偏轉(zhuǎn)規(guī)律的動(dòng)態(tài)特性分析。建立了NH1500風(fēng)力機(jī)尾緣襟翼的氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)庫,耦合到自由渦尾跡方法中,從而實(shí)現(xiàn)了帶尾緣襟翼的風(fēng)力機(jī)載荷計(jì)算及減緩效果研究�？偨Y(jié)得出了翼型相對(duì)厚度對(duì)尾緣襟翼氣動(dòng)性能的影響,以及當(dāng)尾緣襟翼向壓力面和吸力面偏轉(zhuǎn)時(shí),風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能和載荷的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果還表明尾緣襟翼具有較好的載荷減緩效果。針對(duì)載荷沿風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)鏈的傳遞,考慮了柔性傳動(dòng)軸和齒輪嚙合效應(yīng),建立了兩質(zhì)量塊、五質(zhì)量塊和考慮齒輪嚙合的傳動(dòng)鏈動(dòng)力學(xué)模型。通過實(shí)驗(yàn)值和其他學(xué)者的計(jì)算結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了傳動(dòng)鏈模型的可靠性。結(jié)合了大型風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算的程序,實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的傳動(dòng)鏈動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算。基于H∞魯棒控制理論,進(jìn)行了葉片和塔架減振控制律設(shè)計(jì)。分析了傳動(dòng)鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及整機(jī)的固有頻率特性,并且進(jìn)行了尾緣襟翼在傳動(dòng)鏈中的變形位移和載荷減緩研究�？偨Y(jié)出三種傳動(dòng)鏈模型的穩(wěn)定性特性和固有頻率區(qū)別,給出了考慮傳動(dòng)鏈的整機(jī)Campell圖。并且計(jì)算結(jié)果表明了尾緣襟翼在傳動(dòng)鏈載荷減緩、葉片和塔架減振中具有較好的效果。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK83

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9 朱

本文編號(hào)：2768939