对现有的直叶片垂直轴风机叶片进行改进,提出新型螺旋型垂直轴风机,基于计算流体动力学方法研究风机的气动载荷特性,进行参数影响分析。建立风机三维气动载荷计算模型,验证模型的可靠性。计算分析新型螺旋型风机的气动载荷特性,分析扭曲角、叶尖速比、弦长和桨距角等参数对螺旋型风机气动特性的影响,确定最佳风机结构参数。研究表明,与直叶片风机相比,螺旋型风机有效减小瞬时转矩系数的波动性,并提高功率系数。该研究为螺旋型风机叶片结构参数的选择提供了理论指导。

对于海上浮式风机而言,由于受到剪切风、塔影效应、浮式基础运动等因素的共同影响,其气动载荷会更加复杂,因此如何准确快速地对海上风力机的气动性能进行预估显得尤为重要。基于速度势的非定常面元法理论,研究海上浮式风机气动载荷特性,编制了相关的计算程序。以NREL 5 MW风机为例,建立了叶片和尾流的三维数值模型,计算得到了不同风速下风机的输出功率以及叶片表面的压力分布,对比数据结果分析了该方法的可靠性。针对非定常流动,模拟了剪切风和塔影效应的作用,并重点分析了浮式基础运动对风机气动载荷的影响。研究表明,浮式基础的纵荡和纵摇会增加输出功率的波动幅值,艏摇运动会导致单个叶片上的气动载荷产生较大的波动,为浮式风机叶片控制提供了参考。

为了研究海上浮式风机动力特性,揭示旋转叶片“动力刚化”现象,本文基于一致质量有限元法和Jourdain速度变分原理,建立浮式风机刚-柔耦合多体系统动力学模型。采用叶素动量理论计算非定常气动弹性载荷,编制浮式风力机系统的Matlab仿真程序。结果表明:旋转叶片刚度随转速增大而增大;叶片挥舞以波浪频率和气动频率1P响应为主,并存在二者的耦合频率以及2P、3P响应;浮式基础运动几乎只有波频响应,气动载荷对基础振荡幅值贡献非常小。