应用数学和力学

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2013年第34卷第10期

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前言

"大型(兆瓦级)风力机的空气动力学问题"专刊前言

2013, 34(10): 1-2.

摘要(2407) PDF(1147)

摘要:
近年来，风能作为无污染、可再生的自然能源引起了人们的高度重视。风力机是捕获风能的动力装置。大型（兆瓦级）风力机的建造和运行涉及到一系列复杂的空气动力学理论和应用问题：如叶片翼型升力特性、叶片气动弹性和气动噪声、风力机风洞模拟实验以及叶片气动优化设计等，成为近期国内外力学、工程界研究的前沿和热点之一。本刊特邀请中国科学院力学研究所胡文瑞院士、南京航空航天大学王同光教授和上海交通大学李晔教授担任客座编委，策划组织了题为"大型（兆瓦级）风力机的空气动力学问题"专刊，集中报道国内外针对上述问题的最新研究成果和进展趋势。

论文

国外大型风力机技术的新进展

李晔

2013, 34(10): 1003-1011. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.001

摘要(1769) PDF(2206)

摘要:
为更好地了解国外大型风力机技术，促进国内大型风力机的发展，对近年来国外大型风力机设计技术的革新做出一个较为综合的评述．不仅涵盖陆上水平轴风力机，也将评述海上漂浮式风力机、垂直轴风力机、高空风力机以及带加速罩的风力机等技术的新进展．评述包括设计原理、经济效益、环境影响等综合评估因素，力求对新技术做出较为完整的解释.

大型风力机翼型族的设计与实验

韩忠华, 宋文萍, 高永卫

2013, 34(10): 1012-1027. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.002

摘要(2087) PDF(2279)

摘要:
翼型是构成风力机叶片的基本要素，是风力机叶片设计的基础．发展适用于大型风力机叶片的高性能翼型，对于提高其风能捕获能力、减少重量以节约制造和运输成本、减轻惯性载荷和阵风载荷等具有重要意义．首先，回顾了上个世纪90年代以来风力机翼型族研究的发展历程，介绍了国外发展的S系列、DU系列、RIS系列、FFA系列等翼型族．其次，针对兆瓦级大型风力机翼型设计的技术要求，介绍了西北工业大学NPU-WA翼型族的设计、风洞实验及改进．最后，给出了多兆瓦级风力机翼型族的研究展望.

气动、结构、载荷相协调的大型风电叶片自主研发进展

徐宇, 廖猜猜, 荣晓敏, 王强

2013, 34(10): 1028-1039. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.003

摘要(1177) PDF(1345)

摘要:
从叶片设计的3个关键环节（气动设计、结构设计和载荷评估）出发，对叶片自主研发进展进行了总结分析．在气动设计方面，概述了计算流体动力学（computational fluid dynamics, CFD）方法、涡方法和叶素动量（blade element momentum, BEM）方法，并依据工程中广泛应用的BEM方法，指出了低风速区风电叶片的解决思路；在结构设计方面，简要概述了基于梁模型的传统设计分析方法，分析了其在大型复合材料叶片薄壳结构上的不足，并对有限元方法（finite element method, FEM）在叶片结构分析中的应用进展进行了介绍；在载荷评估方面，介绍了其对叶片和整机其它部件的影响，阐述了载荷预估方面的工作进展．然后，通过分析3个关键环节之间的相互关系，得到如下结论：建立气动、结构和载荷相协调的叶片优化设计体系，才能真正满足高效低成本的需要．最后，指明了需要进一步研究的主要方向，即高效低载翼型研究，结构非线性有限元分析，气动-结构耦合研究，设计标准制定．最终目标是建立适合中国风资源特点的叶片研发体系，推动我国风电产业发展.

竹层积材在大型风力机叶片设计中的应用研究

王珑, 李慧, 王同光

2013, 34(10): 1040-1047. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.004

摘要(1240) PDF(1140)

摘要:
从大型风力机竹叶片设计的材料及结构角度出发，首先简要介绍了作为竹叶片主增加材料——竹层积材的力学性能实验及其基本的力学特性．随后基于这些性能数据，给出了一种常规形式的1.5 MW竹叶片的气动和结构设计方法，并重点阐述了竹叶片的结构铺层方法和关键的技术细节，最后简要概述了目前竹叶片设计还需要解决的技术问题

计算流体力学在大型风力机空气动力学的应用进展

张震宇, 赵宁, 钟伟, 王珑, 许波峰

2013, 34(10): 1048-1058. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.005

摘要(1816) PDF(1415)

摘要:
针对大型风力机设计中的关键空气动力学问题，比较系统地介绍了计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）方法的主要应用，特别是在大型风力机翼型气动分析、风力机流动的数值模拟、风轮空气动力特性的数值计算以及大型风力机叶片的多目标气动优化设计方面的进展．基于CFD方法分别实现了风力机翼型与叶片二维/三维气动特性的准确预测，风力机尾流场涡系结构的准确捕捉；并结合多目标遗传算法对1.5 MW风力机叶片进行了优化，获得了具有高风能利用效率的叶片方案.

风力机风洞试验技术及研究进展

肖京平, 陈立, 武杰, 段雪峰

2013, 34(10): 1059-1072. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.006

摘要(1787) PDF(1438)

摘要:
以UAE phase VI和MEXICO（model experiment in controlled conditions）项目以及中国空气动力研究与发展中心（China aerodynamics research and development center, CARDC）相关的研究工作为背景，概述了近年来风力机流场测量、压力分布测量、测力等风洞试验技术的进展，介绍了在风洞的影响、叶素的等效远场自由来流条件确定、三维旋转效应、动态入流效应、流场结构和诱导效应方面的重要研究成果．文章还简介了CARDC的大型风力机风洞试验研究工作及一些思路.

基于外场实验的风力机叶片三维效应研究

李德顺, 李仁年, 王秀勇, 魏列江, 李银然, 强彦, 刘志强

2013, 34(10): 1073-1082. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.007

摘要(1558) PDF(1191)

摘要:
针对一台33 kW水平轴风电机组开展了外场实验，得到其叶片7个断面翼型的压力分布曲线；基于求解时均N-S方程对风轮进行三维数值模拟，以及将叶片各断面作为二维翼型进行数值计算，分别得到各断面翼型的压力分布曲线及升阻力系数．通过将外场实验、三维和二维数值计算所得压力分布曲线及升阻力系数进行对比分析，研究了三维效应对风力机气动性能的影响．研究表明，从叶尖到叶根各断面翼型的压差先增大后逐渐减小，叶片表面压力分布曲线比较明显地反映了从叶尖到叶根流动分离的变化；叶片表面压力分布的三维数值计算结果较二维计算结果更加接近于外场实验值；风力机叶片表面的三维流动对叶片的气动性能影响较大，在叶尖和叶根部分尤为突出.

风力机气动噪声研究现状与发展趋势

李晓东, 许影博, 江旻

2013, 34(10): 1083-1090. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.008

摘要(1375) PDF(1340)

摘要:
首先介绍风力机气动噪声源的基本组成，然后对风力机气动噪声理论预测、实验测试和数值模拟方法进行阐述，重点论述这3类方法在风力机气动噪声研究中的应用现状，并讨论风力机气动噪声抑制技术，最后简要展望风力机气动噪声研究的发展趋势

大型水平轴风力机叶片气动弹性计算

唐迪, 陆志良, 郭同庆

2013, 34(10): 1091-1097. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.009

摘要(1696) PDF(2035)

摘要:
给出了一种考虑几何非线性的大型风力机静、动气动弹性一体化计算方法．采用涡尾迹方法进行风力机气动载荷计算．建立风力机风轮的三维壳模型．沿周向平均风力机叶片载荷并加载到结构模型进行非线性静气动弹性分析．基于动力学小扰动假设，在静平衡构型下进行动力学线性化，计算风轮固有振动特性．继而结合非定常涡尾迹方法计算风力机动气动弹性响应．计算了NH 1500叶片考虑几何非线性的静气动弹性位移和动气动弹性响应．结果表明，大型风力机叶片几何非线性较为明显地减小静气动弹性位移，同时降低动气动弹性的响应幅值．大型风力机气动弹性响应计算需要考虑几何非线性

桩基承台结构的波流力研究进展

刘桦, 王本龙, 薛雷平, 何炎平

2013, 34(10): 1098-1109. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.010

摘要(1406) PDF(1240)

摘要:
我国近海风电场建设大多采用桩基承台结构．总结了不规则波浪和水流共同作用下桩基承台结构的波流力物理模型实验结果，得到了群桩效应系数及其变化规律，讨论了作用于近水面承台底部的波浪拍击力；从理论上分析了规则波作用下承台对桩基波浪力的影响；建立了规则波与桩基承台相互作用的数值模型，揭示了波浪在承台的上浪与爬高及其水动力特征．鉴于桩基承台结构包含多个斜桩和较大尺度的承台，在波浪与水流作用下该结构物附近的流场结构十分复杂，有必要针对结构附近的流动结构以及自由表面大变形开展细致的实验和数值模拟研究，以进一步揭示作用于这类结构的波流力变化规律及其机理.

海上浮式风力机及其动力学问题

朱仁传, 缪国平, 范菊, 刘桦

2013, 34(10): 1110-1118. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2013.10.011

摘要(1726) PDF(2504)

摘要:
深水风资源更为丰富，随着科技进步风电场正逐步向水深百米及以上的海域发展．海上浮式风力机、浮式基础以及系泊系统作业时，受到风浪流等的联合作用．就不同海上浮式风力机形式及其典型结构对应的气动载荷、水动力载荷，浮式风力机系统与环境动力的耦合问题、处理方法和可能的发展方向作了简要的评述．充分考虑作业背景的环境流场和风力机尺度，针对不同的流动特征综合各种理论方法和计算手段，更为准确地进行空气动力学-水动力学-控制系统-结构耦合分析是研究的难点和发展方向.