考虑风力机叶片与空气的流固耦合作用,基于ANSYS workbench工作平台,采用双向流固耦合的方法,模拟预测风力机的气动噪声,并与额定工况下的实验数据对比。结果发现:耦合作用下风力机气动噪声增大,且耦合模拟得到的气动噪声声压级与实验值更为接近,证明计算模型的准确性;风轮后的辐射声最大声压级在叶片径向0.57R^0.71R位置,风力机叶片与空气的流固耦合作用,增大了辐射声的声压级,而对于辐射声的传播规律影响很小;耦合作用下随尖速比的增加,相同位置气动噪声的声压级呈现缓慢增大的趋势,不同尖速比下气动噪声的声压级随轴向距离的增加变化规律大致相同,均呈不断减小的趋势。

选用华锐风电1.5 MW变速恒频双馈式风力发电机SL1500/61为基本模型,对装配3种不同类型导流罩的风力发电机组机舱与叶片进行融合建模,通过数值模拟分析方法进行整体模型的合理性验证。在极限风速下分析3种导流罩及机舱附近流场的空气动力学特性,结果表明,风机叶片的尾流速度差距约1 m/s,阻力型导流罩前端的高压面积最大,装配W型导流罩的风机机舱表面压力特性优于其他类型,不同导流罩表面的涡粘性存在明显的差距。叶片融合技术可以较好地解决叶片根部与导流罩端壁连接处所存在的角区流动现象,达到减小误差的导流效果。

具有良好气动特性的翼型是风力机高效获能的关键。为提高H型垂直轴风力机(H-VAWT)的获能效率,文章提出了空气重量比拟空气压差建立H-VAWT抛物线对称翼型设计理论。随着常数C增大,抛物线翼型母线的相对厚度先迅速增大到25%后逐渐减小至1%,最大厚度位置从45.8%弦长处逐渐靠近前缘至26.1%弦长处。将选取的抛物线翼型母线等比为与NACA4系列对称翼型厚度相对应的翼型,利用XFOIL进行数值模拟和对比研究。结果表明当C=10.21时,抛物线PWX0007MX-xx系列翼型的气动性能最高,其中分别等比为t/c=9%,t/c=12%,t/c=15%,t/c=18%和t/c=21%时,相较于常用NACA00XX系列同厚度翼型,最大升阻比分别提高了9.45%,5.56%,6.59%,6.59%和2.42%,最大升力系数分别提高了10.59%,9.79%,8.32%,8.65%和7.90%。

近些年,浮式风力机已经进入了小规模实尺度试验及商业运营阶段,然而对浮式风力机的试验及数值模拟研究还不够充分。文章结合荷兰海洋研究所(MARIN)海洋水池的风浪联合模型试验结果,将一种三立柱半潜型浮式风力机与固定式风力机的气动性能进行了对比研究。经模型试验研究发现在风力机的水池试验中,缩尺模型的推力系数较理想,但难以获得较好的能效系数;在相似试验条件下,相较于固定式风力机,浮式风力机叶轮受到的气动推力稍大。

文章提出了在尾缘吸力面填充多孔介质以降低整体多孔使用率,减少其对翼型结构及气动性能的影响。以NACA0018翼型为研究对象,采用大涡模拟方法及Ffocws-Williams and Hawkings(FW-H)声学类比方法比较分析了雷诺数为2.63×105的条件下,基准翼型、尾缘完全填充型及吸力面填充型多孔翼型的气动特性及降噪能力。分析结果表明两类多孔翼型尾缘受多孔域影响,流场流动发生了变化,且随着攻角的增大,多孔介质对流体的扰动及分离作用被削弱;吸力面填充型翼型能有效降低声压波动及功率谱密度,其在低频区域的声压级分布低于基准翼型,并最终在0°攻角及0~25 kHz的计算频率下达到4.3 dB的降噪效果。针对两类多孔翼型的气动性能结果进行比较,在攻角为0~10°时,尾缘完全填充型翼型较基准翼型出现了1.1%~2.8%的升力系数损失;而吸力面填充型翼型的升力损失为0.8%~1.5%。此外,完全

叶片外形优化是提升风力机气动性能的关键。文章基于STAR-CCM+软件,采用RANS法进行了叶尖小翼气动特性的研究。通过与Bladed计算结果进行对比,验证了此方法的可行性,在此基础上,研究了小翼扭角对叶片三维流场数值计算结果的影响。叶尖小翼减弱了叶尖附近的流动分离现象,增大了叶片压力面与吸力面之间的压差,从而提升了风力机的输出功率。当小翼其他设计参数相同时,负扭角对风力机性能的提升效果优于正扭角,小扭角对风力机性能的提升效果优于大扭角。总体上,小翼扭角对风力机功率和推力的影响较小,当风速相同时,功率增长率最大差值小于0.7%,推力增长率最大差值小于1%。

针对大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构气动响应问题，文章提出了在不同偏航角度下的分析方法。根据该方法的流程图，建立了大型风电机组柔性多体塔架-叶片耦合结构动力学模型。采用谐波叠加法计算气动载荷分布，考虑塔影效应与风剪切的影响，得出诱导因子时程曲线与气动响应均值。计算结果表明:轴向与切向诱导因子变化较小，尾流稳定;偏航角逐渐增大导致塔顶顺风向位移均值减小，根方差值增大。该结果为大型风电机组运行过程中监测状态参数的变化与流体动力学分析提供了参考。

在浮式风力机模型试验中,由于尺度效应的影响,浮式风力机模型叶片的推力不能达到弗汝德相似条件下的目标推力值,采用重新设计叶片的方式可以较好地满足模型试验的要求。文章以某6 MW海上浮式风力机模型试验为例,提出基于气动相似的模型叶片快速优化设计方法,并与前人提出的方法对比。计算结果表明:在额定工况下,文章提出的方法可有效降低78.18%的风力机推力计算次数,从而提高计算速度;在试验工况下,该方法设计的叶片与目标值的匹配情况优于模矢搜索法。研究结果可以为风力机模型叶片优化设计提供参考。

基于稳定风、渐变风、阵风等入流方式，建立了不同变风阶段叶片气动载荷非稳态计算模型，研究了不同风速变化速率对叶片气动性能以及叶面压力分布的影响规律。研究结果表明，在相同风速下，不同风速变化率会对风轮输出转矩产生影响，且风的加速度越大，其影响越显著。同风速下的压力面渐变风压力小于稳定入流压力，且两种入流方式的压力差随展向位置逐渐增大，而吸力面上的压力分布差异较小，但压力变化梯度随展向位置却有明显不同。阵风入流中，在相同风速的阵风加速与阵风减速时刻，压力面、吸力面的压力分布差异较大，但其压差随叶片展向位置波动较小;在叶根到叶片展向位置0.7R处，阵风加速出力大于阵风减速;在0.7R处到叶尖位置，阵风减速出力效果相对更好。

虽然水平轴风力发电机的技术已经发展的非常成熟，是世界上的主流风机，但在适应风机大型化、深海化的趋势方面，垂直轴风力发电机因其结构特点表现出一定优势。近年来，对于垂直轴风力机的研究日益增多，将两台相同的垂直轴风力机间隔一定距离置于一起即得到双转子垂直轴风力机。文章利用风机模拟与实际风场较接近的非定常风，通过物理模型试验对比了单转子垂直轴风力机和具有不同双转子间距的双转子垂直轴风力机在不同风速下同一转子的扭矩、转速与轴功率，证实了双转子垂直轴风力机的增益效果，并探讨了风速及两转子间距对风机性能及增益效果的影响。试验结果表明，风速越大、两转子间距越小，双转子垂直轴风力机的增益效果越显著。