一、前言
長期以來 ,由於人們對風能技術的重視程度不夠,所以此項技術發展速度緩慢。隨着能源危機日益嚴重,可再生能源越來越多的受到人們的關注,而風能作為一種清潔的可再生能源,隨着現代工業和科學技術的快速發展,它的開發利用成為解決能源危機的不二選擇。近幾年,風電技術逐漸成熟,很多國家都加大了風能的利用力度,使得陸上風資源的開發利用已經基本達到飽和狀態,所以當務之急要解決的問題是怎樣提高風電場效率。
而影響風電場功率損失的一個重要因素是風力機尾流。因此,研究風力機尾流場及相互作用,對優化設計新機組,降低風電場功率損失都有很重要的意義。
此外，風輪是風力機將風能轉換為機械能的重要部件。風輪的氣動性能直接決定了風輪對風能的利用效率以及風力機的運行經濟效益。風力機在複雜多變的環境條件下運行，使得水平軸風力機風輪承受氣動力、離心力等交變載荷的作用，這些載荷使得風力機葉片發生變形，同時這些變形和運動反過來又會改變風的運動，空氣與風輪的相互耦合作用影響風力機氣動性能。
我們課題組除對上述課題方向進行了詳細的實驗以及數值模擬研究外，相對研究較多的就是風力機葉片的氣動性能和結構動力學特性以及風力機葉片的翼型。國外對於風力機風輪結構動力學性能改進的研究起步較早，技術先進且多樣化，主要分主動控制和被動控制技術兩方面的研究。 前者的關鍵在於通過識別設備運轉情況，控制系統主動變化自身阻尼以改變整個設備的結構動力學特性；後者的關鍵在於葉片材料、葉片結構的開發與改進。國內關於這方面研究起步較晚，主要集中在風輪已有結構動力學參數的獲取及模態分析方法的規範性研究，對於風輪結構動力學參數的改進技術研究較少。綜合分析，仍未發現關於翼型結構變化對於風輪結構動態特性的影響研究。
二、主題
通過閲讀文獻了解到了我們課題組幾位老師以前和現在正在進行的課題研究，學習和了解了如何開展課題以及實驗的基本方法和所需要的工作，還有文獻的格式和內容的書寫。課題組在利用流固耦合數值模擬計算以及其他方法對風力機的性能和結構做了優化處理，如對風力機翼型，風力機性能，風力機翼型粗糙度，風輪，尾跡，側偏限速機構等方面進行研究並加以改進。
其中，汪建文老師主要對風力機小翼風輪，膏狀物噴霧技術等方面做了深入研究，如“葉尖小翼對風輪結構動態性能的影響研究”，“膏狀物噴霧乾燥技術的開發及應用”，“三葉片風輪動力學特性的分析”，“多葉片風輪的試驗模態測試與分析”等；高志鷹老師對S型葉尖小翼，風力機葉片周圍的流場尤其是尾跡流動做了深入研究，如“S型葉尖小翼對風輪近尾跡聲輻射影響的實驗研究”，“最優S型小翼影響近尾跡流動的PIV測試”，“風輪近尾跡流動與聲輻射關聯性的試驗研究”等；馬劍龍老師主要是對風輪做了深入研究，如“風力機風輪振動特性研究”，“風輪結構動力學參數優化改進方法研究”，“風輪固有振動頻率隨工況變化的響應特性”等；張立茹老師主要是對風力機的工況做數值研究，如“水平軸風力機尾流擴散特性的數值研究”，“風力機葉尖有無小翼三維流場的數值研究”等。
三、文獻摘要
汪建文，趙志淵，劉博採用實驗模態分析的方法分別對三葉片風輪、中心固定整體圓板和中心固定按120°開口的圓板，進行了模態分析，得到了它們的實際模態振型。運用模態計算軟件ANSYS對動力學特性一致的三葉片風輪和動力學特性有差異的三葉片風輪進行了定性計算分析。實驗結果顯示，三葉片風輪的振型和中心固定圓板的振型有一定對應關係，可採用中心固定圓板的振型來研究三葉片風輪的揮舞模型振型。並用ANSYS軟件和中心固定按120°開口的圓板的陣型圖，更合理地解釋了三葉風輪的揮舞模態振型。
汪建文，閏建校，劉金鵬，趙志淵採用試驗模態分析的方法分別對單葉、兩葉片風輪、三葉片風輪、五葉片風輪和中心固定圓板進行了模態分析得到了它們的實際模態振型。實驗結果顯示，單葉片的模態振型和多葉片的模態振型有較大不同，單葉片的結構動態特性不能代替整個風輪的結構動態特性 ；對比多葉片風輪和中心固定圓板，按照一定的對應關係，可以採用中心固定圓板的振型來研究多葉片風輪的揮舞模態振型。
張立茹，吳林泉，汪建文等基於漩渦法和實驗條件修正入口邊界條件，結合延遲分離渦湍流模型和K-FWH方程對某S翼型水平軸風力機進行三維非定常數值模擬，對比分析擾動入流對風輪表面脈動壓力、輻射聲頻譜和聲輻射傳播的影響，並將相應數值模擬結果與實驗數據進行對比分析。結果表明：擾動入流下，葉片表面各峯值脈動壓力幅值不同，輻射聲中高頻寬帶噪聲出現新的峯值；總聲壓級在葉片徑向0.57R處最大，隨軸向距離的增大，總聲壓級下降，且在軸向距離小於500 mm時下降最快，接近葉尖位置測試線聲壓級出現和實驗一致的跳變現象。
張立如，王佔陽，何玲麗等針對流固耦合作用影響風力機的氣動性能問題，基於CFX與ANSYS對風力機雙向流固耦合模擬及未考慮耦合的風力機流場和結構場進行模擬，探究在額定工況下流固耦合作用對風力機輸出功率影響情況。通過對比分析耦合前後的葉片表面壓力分佈、葉片的變形、風輪的扭矩進而研究風力機輸出功率的變化。結果表明：考慮流固耦合作用時，風輪壓力面的正壓值基本不變，吸力面的負壓值明顯減小，葉片表面的壓力差增大，而葉片在流固耦合作用下表面壓力分佈趨勢無明顯變化；葉片主要變形集中在靠近葉尖處，且越接近葉尖變形越大，呈非線性分佈，葉片在流固耦合後的變形量相對未耦合增大，葉片的變形主要是沿着軸向的揮舞變形；且葉片的扭矩也更大，流固耦合作用下計算風力機輸出功率為 383Ｗ，比未耦合增大 16％，與試驗值更接近。
馬劍龍，呂文春，汪建文等針對某風力機風輪固有頻率模擬計算，利用 SolidWorks 軟件中“樣條曲線”對多數據點同步擬合功能生成了光滑的葉片各翼型面曲線，同時利用 SolidWorks 軟件中“放樣”對多數據曲線同步擬合功能實現了葉片整體光滑建模，從而有效解決了模態計算中網絡劃分時因計算模型非流線性而產生死點或網格畸變的常發性錯誤，實現了網格的理想劃分。利用 ANSYS13.0 軟件模態分析計算模塊，配合模型部件材質、部件間接觸條件、風輪整體約束條件近實體化設置，使風輪前三階固有頻率計算值與試驗值相對誤差在 5%以內，實現了風輪固有頻率的精度模擬。分析產生數據差異的原因主要為實際葉片材質並非各項同性。精度模態計算方法的實現，對風輪結構優化設計及模態計算方面的研究具有較重要的應用價值。
高志鷹，汪建文，東雪青採用5因素5水平的正交實驗方法，找到在不同尖速比下均具有較好功率放大效果的S型葉尖小翼結構，對其影響近尾跡流動與聲輻射的特徵進行了測試發現該小翼可以打散從風輪葉尖脱落的葉尖渦結構，在測試方位面內形成多個渦量集中區域，而且使葉尖渦內高渦量區域減小，降低葉尖渦的強度同時，該小翼還可以使葉尖附近的壓力脈動衰減，高壓力脈動區域縮小，降低聲輻射的強度，有效降低近尾跡中的聲壓級，靠近風輪附近測點的最大聲壓級降幅超過10dB在1倍風輪直徑下游位置的聲壓級降幅為2-7dB, 對S型葉尖小翼影響近尾跡流動和聲輻射的研究，為提高風力機性能和降噪途徑的探索積累了經驗。
四、總結
通過對文獻的閲讀，針對風力機的氣動噪聲研究中，計算方法大致分為整體建模，結構計算域，劃分網格，設置邊界條件，選擇湍流模型等幾部分。
風輪建模在Gambit軟件中導入風力機翼型的數據。以實驗室風洞為模型構建計算域，改變入口方向實現偏航條件下的模擬。網格劃分主要使用四面體非網格結構網絡，計算域劃分為旋轉流體區和非旋轉流體區。邊界條件的設定入口風速，湍流度以及水力直徑；出口邊界條件為自由流出口，計算域面壁為固壁，風輪表面為旋轉壁面。湍流模型的選取，大渦模型（LES），雷諾平均（RANS）,以及將二者結合的分離渦模型（DES）。
研究方向涉及偏航對尾跡流場與氣動噪聲的影響，不同的偏航角，湍流度，均勻入流和擾動入流條件下氣動噪聲預測；不同切變風速下風輪載荷；單向，雙向流固耦合下風輪氣動特性。
此外，還了解了課題組各位老師的主要研究方向與目前所取得的結果，文獻的撰寫格式，內容如何書寫，目前國內外的研究現狀，實驗和模擬的具體方法等。對我未來兩年半的研究生生活規劃有了一定啟發，我會繼續翻閲文獻，國內外期刊，師兄師姐們的畢業論文等，增加自己的知識儲備。此外，還有利用空閒時間進行ANSYS,SOLIDWORKS等軟件的學習，還有實驗室儀器的操控，為以後的實驗研究打下堅實的基礎。
五、參考文獻
[1] 汪建文 賈瑜博 吳克啟等 小 翼對風力機葉片表面壓力分佈的影響
[2] 汪建文 鄒旭東 通風機性能相似換算的誤差與修正的試驗研究
[3] 汪建文 李振法 田 瑞等 膏狀物噴霧乾燥技術的開發及應用
[4] 汪建文 李振法 田 瑞等 膏狀非牛頓流體輸送與霧化技術的開發及應用
[5] 高志鷹 汪建文 東雪青等 S型葉尖小翼對風輪近尾跡聲輻射影響的實驗研究
[6] 高志鷹 汪建文 東雪青等 風力機葉尖渦流場特性的多窗口 PIV測試
[7] 高志鷹 汪建文 韓曉亮 最優S型小翼影響近尾跡流動的PIV測試
[8] 高志鷹 汪建文 東雪青等 水平軸風力機葉尖渦流動的PIV測試
[9] 馬劍龍 汪建文 劉 博 翼型及葉片安裝方式變化對風輪各階固有頻率影響的研究
[10] 馬劍龍 汪建文 董 波 S 型葉尖小翼對風輪振動頻率影響的研究
[11] 馬劍龍 汪建文 董 波 風力機風輪結構阻尼比改進方法研究
[12] 馬劍龍 呂文春 汪建文 風輪固有頻率精度模擬方法研究
[13] 張立茹 吳林泉 汪建文等 擾動入流對風力機聲輻射影響研究
[14] 張立茹 汪建文 孫曉穎等 水平軸風力機尾流擴散特性的數值研究
[15] 張立茹 汪建文 曲立羣等 風力機葉尖有無小翼三維流場的數值研究
[16] 景坤瑤 汪建文 張立茹等 不同入流條件對屋頂風力機輸出功率的預測
[17] 王佔洋 張立茹 賀玲麗等 基於雙向流固耦合水平軸風力機輸出功率分析
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