2019年第34卷第9期文章目次

郝文星 , 李春 , 刘青松 , 邓允河

2019, 34(9):1.

[摘要](695) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](88)

摘要:
风力机大型化已成为风电技术发展的主要趋势。但随之而来的叶片尺寸增大、气弹特性增强、多尺度流动等问题将导致叶片处于更加复杂严峻的风况及载荷环境。为提高叶片应对复杂风况及载荷的能力，提高叶片气动效率，有必要采用先进有效的流动控制技术以满足叶片气动降载与流动分离控制的需求。针对当前主流的流动控制技术进行了介绍，并对较具发展潜力的尾缘襟翼与自适应襟翼研究现状进行了重点介绍。现阶段流动控制技术并未在风力机叶片中得到广泛应用，一方面在于流动控制技术尚难与叶片现有主体控制技术相结合，以达到相辅相成的控制效果；另一方面在于对于部分控制技术，如自适应襟翼等，其控制特点尤其是其在风力机实际运行中的控制特点尚不明确。后续研究中，对于叶片气动降载，应结合更为先进的控制方法与更可靠的研究手段开展尾缘襟翼控制与叶片主体控制的协同控制研究；对于流动分离控制技术，应侧重于改善被动控制技术在非适用工况下的不良影响，同时开展流动控制技术在整机中的实验与数值研究，加快流动分离控制技术的实际应用。

2 风力机地震动力学研究现状综述

杨阳 , 岳敏楠 , 李春 , Musa Bashir

2019, 34(9):14.

[摘要](130) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](75)

摘要:
针对风力机地震问题研究，从地震反应谱频域分析法、有限元高精度结构动力学分析法、考虑风与地震耦合动力学分析法和结构抗震控制四方面详细阐述了近二十年各国学者的相关研究成果，讨论了不同计算方法发展历程及其优缺点，分析了风力机地震动力学方面研究的不足，并提出了未来的研究重点领域及发展方向。

3 风力机叶片被动流动控制技术研究进展

吴柏慧 , 李春 , 朱海天 , 郝文星

2019, 34(9):24.

[摘要](293) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](81)

摘要:
被动流动控制技术在改善和提升风力机叶片气动性能方面有着越来越广泛的应用，因其结构简单、无需消耗额外能量且成本较低等优势广受重视。为此，分别阐述了涡流发生器、格尼襟翼、叶尖小翼、开缝翼型、仿生结节及沟槽被动流动控制技术的工作原理、控制效果、参数设置、优化设计及应用等情况，展望了被动流动控制技术应用的发展趋势。该技术趋于多种流动控制方法的联合控制，其优化设计也趋于多学科、多目标发展，相应的优化设计方法也需深入开发。分析被动流动控制技术的现状及发展趋势，可为相关研究与应用提供具体的参考及实现途径。同时，风力机叶片被动流动控制技术的结构参数控制规律、多目标优化以及多种被动流动控制技术联合控制也是本课题组下一步工作的重点。

4 合成射流控制策略对垂直轴风力机性能影响研究

郝文星 , 朱海天 , 李春 , 丁勤卫

2019, 34(9):41.

[摘要](137) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](83)

摘要:
设计一种斜出口合成射流激励器并将其应用于垂直轴风力机控制其动态失速，建立不同射流孔数量的叶片并采用5种不同合成射流激励器控制策略，通过FLUENT15.0并采用Realizable k-ε湍流模型分析射流孔数量与控制策略对垂直轴风力机气动性能的影响，进一步研究垂直轴风力机涡量场结构。结果表明：当采用上开口抛物线控制策略、射流吹气系数为0.035，射流孔数量为2时，风能利用系数与平均力矩系数均提升15.2%，随着射流孔数量增多，气动性能降低；采用传统合成射流控制策略的垂直轴风力机承受近乎2倍的载荷波动，改进的控制策略可减小叶片在小攻角时的载荷波动，从而相对提升垂直轴风力机的运行稳定性；另外，合成射流技术可抑制叶片吸力面大涡的生成与发展并使叶片强尾涡削弱成多个小尾涡，减小多个叶片间的流动干扰并降低转轴尾涡强度，从而改善全局流场结构。

5 导流式翼缝控制多段翼型流动分离的数值研究

刘宇航 , 朱海天 , 李春 , 罗帅

2019, 34(9):49.

[摘要](361) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](86)

摘要:
为改善叶片失速特性，以具有圆弧形缝道的两段式NACA0021翼型为基础研究模型，设计一种导流式翼缝（Flow-deflecting Gap，FDG），研究在不同的导叶设计参数与不同雷诺数下导流式翼缝在多段翼型被动流动控制中的效果。研究发现：导流式翼缝可在一定攻角范围内抑制甚至消除分离涡的生成及发展；当前翼缝宽度为0.03c，后翼缝宽度为0.01c时，最大升力系数可提升5.33%，失速攻角增大2°，出现较大尺度分离涡的攻角增大2°，升力波动载荷大幅降低；在不同雷诺数下，FDG翼型的最大升力系数均有不同程度提升，失速特性均有不同程度改善，升力波动载荷均大幅降低。

6 翼型前缘对翼型动态气动性能影响的数值分析

邹锦华 , 李春 , 卜庆东 , 郝文星

2019, 34(9):57.

[摘要](445) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](90)

摘要:
为研究前缘对翼型气动性能影响，以NACA0012翼型为基础，通过曲线参数化方法改变翼型前缘吸力面及压力面型线，设计了8种不同前缘的翼型，并采用SST k-ω湍流模型研究了翼型在俯仰运动过程中的动态失速特性。结果表明：翼型动态失速特性受翼型压力面外形的影响较小；翼型吸力面加厚，将有效改善俯仰运动过程中的动态气动性能；翼型前缘弯度上弯将加剧翼型失速现象；翼型前缘弯度下弯可在一定程度上有效抑制动态失速现象，且变形量越大，抑制效果越好。

7 不同扩散体对建筑增强型垂直轴风力机气动性能的影响

张雯丽 , 朱海天 , 李春 , 向斌

2019, 34(9):67.

[摘要](244) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](80)

摘要:
为研究不同建筑扩散体对建筑增强型直线翼垂直轴风力机的气动性能与流场结构的影响，采用CFD数值模拟的方法，以NACA0021为叶片翼型的多叶片建筑增强型直线翼垂直轴风力机为对象，研究其在不同建筑扩散体及不同尖速比下的气动性能。结果表明：建筑增强型直线翼垂直轴风力机存在最佳尖速比；不同建筑扩散体对提高直线翼垂直轴风力机风能利用率影响较大，在所选取的8种建筑扩散体模型中，梯形建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机在尖速比为4.62时标准化风能利用率可达1.560 7，而A1翼型式建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机前后压差较小，风能难以利用。

8 前缘改形对风力机翼型气动性能影响的数值研究

徐家杰 , 李春 , 卜庆东

2019, 34(9):75.

[摘要](124) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](79)

摘要:
基于翼型参数化方法对翼型S809进行4类不同的前缘修改，分别为前缘压力面加厚、前缘吸力面加厚、前缘上弯和前缘下弯，采用翼型设计分析软件Xfoil和商用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件FLUENT分别对翼型气动参数和翼型周围流场进行计算。结果表明：翼型气动特性与流场特性受翼型压力面外形变化影响较小；在研究范围内，翼型吸力面加厚使得翼型在失速区升力系数增加，阻力系数减小；翼型前缘上弯使得翼型在大攻角工况下升力系数减小，阻力系数增大，且使翼型提前失速；在一定范围内翼型前缘下弯，使得翼型升力系数增大，阻力系数减小，且延迟失速。

9 不同水深海上风力机塔架地震动力响应研究

许子非 , 邹锦华 , 李春 , 杨阳

2019, 34(9):83.

[摘要](94) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](79)

摘要:
开发了风力机地震仿真平台SAF（Seismic Analysis Framework），以DTU 10 MW海上风力机为研究对象，建立其地震激励下的动力仿真模型，分析4种水深（20~50 m）时20组不同强度地震、额定风速湍流风与波浪流联合作用下风力机塔架动力响应。研究表明：地震作用对横向塔顶位移及横向平面内的塔基弯矩影响较大，来流方向塔顶位移及来流平面内的塔基弯矩主要受湍流风影响；在存在地震激励时，塔架不同高度处位移、剪切力及弯矩响应均大于湍流风与波浪流作用时；地震强度较弱时，不同水深处风力机塔顶位移与弯矩差距较小，但塔基弯矩随着水深的增大而增大；地震强度较大时，水深对风力机塔顶位移与塔基弯矩影响很大，相同地震强度的响应深水大于浅水。

10 大型近海风力机塔架地震动力学响应分析

闫阳天 , 岳敏楠 , 李春 , 杨阳

2019, 34(9):91.

[摘要](409) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](89)

摘要:
地震激励严重威胁风力机正常稳定运行，以丹麦科技大学（DTU）与Vestas公司联合研发的DTU 10 MW风力机为研究对象，考虑海床土壤柔性，基于有限元及p-y曲线法，研究风力机塔架在3种实测地震激励作用下的瞬态动力学响应。结果表明：强震级、长时间的地震激励对塔架造成严重破坏；地震发生时塔顶位移最大、应变能集中于塔基；塔顶振动方向、形变位置、剪切应力及应变能集中区域因地震加速度的方向大小而改变。

11 地震对不同容量风力机塔架动力响应规律研究

邹锦华 , 杨阳 , 李春 , 罗帅

2019, 34(9):99.

[摘要](495) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](84)

摘要:
为研究湍流风与地震联合作用下风力机塔架动力响应规律，以AOC 50 kW、WindPACT 1.5 MW和NREL 5 MW 3种不同容量风力机为研究对象，考虑土-构耦合模型效应，基于开源软件FAST预留数据接口，编译地震载荷计算模块，建立了湍流风与地震激励实时耦合的动力仿真模型。基于ASCE标准地震反应谱，得到20种不同强度的地震加速度，计算了不同强度地震与湍流风联合作用下的风力机塔架动力学响应。结果表明：地面加速度峰值（Peak Ground Acceleration，PGA）为0.3g时，湍流风与地震联合作用对塔基剪切力和弯矩影响较大；随地震强度的增大，塔架不同高度处的最大弯矩与高度之间的关系逐渐由线性转变为非线性；发现国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）和美国风能协会/美国土木工程师协会（American Wind Energy Association/The American Society of Civil Engineers，AWEA/ASCE）对地震载荷与风载荷共同作用下的载荷预估模型结果误差较大，并提出了新的高精度模型，可为风力机塔架载荷预估及预防地震风险提供一定的参考。

12 大型风力机地震动力学响应及稳定性控制研究

刘中胜 , 杨阳 , 李春 , 邹锦华

2019, 34(9):107.

[摘要](268) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](77)

摘要:
为保障极端复杂环境下风力机塔架的结构安全，以NREL 5 MW风力机为研究对象，基于开源软件FAST预留数据接口开发地震载荷计算模块，研究气动阻尼和地震对风力机结构响应的影响，并在机舱和基础平台安装调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD），对塔架的振动进行控制。结果表明：塔顶响应主要受地震载荷影响，气动载荷对其影响较小，且气动阻尼在一定程度上可以抑制塔架的动力响应，风-震耦合效应不可忽略；地震诱导塔架振动，安装TMD可有效减缓塔架振动和降低塔架弯矩，保证风力机的结构安全和运行稳定。TMD与结构质量比u=0.01，阻尼系数 ξ=0.1时，减振控制效果最佳。

13 基于土-结构耦合作用的风力机塔架地震动力学响应分析

闫阳天 , 杨阳 , 李春 , 刘中胜

2019, 34(9):115.

[摘要](134) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](74)

摘要:
风力机塔架在地震激励下的动力学响应研究对保证风力机安全运行具有重要意义。基于有限元软件ANSYS和Wolf土-构耦合理论对Vestas1.65 MW风力机建立较高精度有限元模型，对是否考虑土-结构耦合（Soil-Structure Interaction,SSI）效应两种条件下进行瞬态动力学分析。选用摩根希尔（Morgan Hill）地震运动，土体选用软土物性参数。结果表明：考虑SSI效应会降低风力机塔架自振频率，塔架在地震激励下的塔顶位移响应、塔顶加速度响应、塔架Mises等效应力响应和塔架剪应力响应频率有较明显下降，塔顶加速度峰值减小6.7%，塔基承受剪应力增加73.5 MPa，增幅98.9%。因此，研究风力机结构抗震设计应考虑SSI效应。

14 湍流风与浮冰联合作用下近海风力机动力学响应

叶柯华 , 李春 , 王渊博 , 邓允河

2019, 34(9):123.

[摘要](172) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](83)

摘要:
以NREL 5 MW近海风力机为研究对象，基于Kaimal平稳随机风速谱模型建立风力机全域湍流风，同时采用Matlock模型计算动态冰力，模拟风力机所受冰激振动，研究在风-冰联合环境载荷作用下近海风力机动力学响应。结果表明：冰激振动极大地加剧塔顶各向振动；频域上，冰激振动影响主要集中于塔架1阶固有频率和叶片1阶摆振频率，且相应峰值与冰厚呈正相关关系；受冰激振动作用，塔架各向剪切力明显增加，且塔顶和塔基附近增幅大于塔身中部。

15 地震及湍流风联合作用下的大型海上风力机结构动力学响应

闫阳天 , 许子非 , 李春 , 杨阳

2019, 34(9):132.

[摘要](201) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](88)

摘要:
为研究DTU 10MW近海桩柱式风力机塔架在地震激励下的动力学响应，基于p-y曲线法建立单桩基础与土壤的耦合模型，通过有限元软件ANSYS建立风力机塔架的有限元模型，分析不同速度湍流风和不同强度地震时塔架的瞬态动力学响应。结果表明：仅风载荷作用时，额定风速作用下塔架动力学响应明显高于切出风速；地震与风联合作用时，塔顶位移动态响应剧烈，但无明显规律；塔架加速度响应最大值位置约为四分之三塔高处，塔顶剪应力响应与地震持续时间有关。

16 基于仿生设计的风力机叶片腹板力学性能分析

张立 , 刘宇航 , 李春 , 邓允河

2019, 34(9):141.

[摘要](325) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](80)

摘要:
借鉴仿生学理论，对比树叶叶脉与风力机叶片腹板，以DTU 10 MW风力机叶片腹板为研究对象，建立了一种非规则仿树叶脉络分布的腹板模型，并采用有限元方法对仿生腹板与原始腹板进行静力学、模态及谐响应分析等力学性能比较。结果表明：仿生腹板较原始腹板更具柔性，吸收更多结构变形能，同时可节省二分之一材料；随着模态阶数升高，两种腹板固有频率差距越来越小；仿生腹板尖端位移、速度及加速度均小于原始腹板，仿生腹板在结构响应方面有较大优势，具有更好的抗共振性能。

17 海上风力机多层材料防护装置在船舶碰撞下动力响应分析

韩志伟 , 李春 , 周红杰 , 罗帅

2019, 34(9):148.

[摘要](92) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](78)

摘要:
为研究橡胶-泡沫铝-钢结构新型防护装置不同厚度组合对碰撞过程中海上风力机结构动力响应的影响，基于非线性动力学理论，采用LS-DYNA软件模拟5 000 t级船舶与4 MW海上风力机单立柱三桩基础碰撞过程，对比分析泡沫铝和橡胶分别组成4种厚度防护装置海上风力机与船舶碰撞时系统能量转换、最大碰撞力及碰撞处的应力分布。结果表明：防护装置橡胶与泡沫铝厚度变化，橡胶对防护装置整体性能提高具有明显作用，同时抑制塔顶风力机动力响应效果显著。提出应力衰减率作为评估防护装置性能优劣指标，随着橡胶厚度与泡沫铝厚度改变，单立柱三桩基础所受最大碰撞力分别减少6.3%、12.7%，最大应力衰减率7.03%、4.8%，橡胶用于防护装置中整体性能优越，而泡沫铝可作为辅助材料迅速提高防护性能。

18 新型张力腿平台漂浮式风力机动态响应研究

黄致谦 , 丁勤卫 , 李春

2019, 34(9):156.

[摘要](130) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](77)

摘要:
未来海上风电场的建设需要大量动态响应低且相互干扰小的漂浮式风力机，为此研究一种尺寸更小，能减少或防止相互间干扰及安装费用更低的新型张力腿平台漂浮式风力机（TLP风力机），基于辐射/绕射理论并结合有限元方法，运用水动力学软件AQWA对其在不同海况下及不同系泊系统下的动态响应进行模拟研究，得到了频域和时域的动态响应数据。结果表明：频域分析中，新型张力腿平台漂浮式风力机的运动响应主要集中在低频区域，其中横荡、垂荡及纵摇的峰值频率分别为0.1、0.35和0.19 rad/s；TLP风力机垂荡和纵摇方向上的运动响应都小于Spar风力机运动响应；横荡、垂荡及纵摇方向上，TLP风力机附加质量均远大于辐射阻尼；时域分析中，4根张紧系泊设计优于单根张紧系泊设计，能有效降低横荡和纵摇运动响应和延长系泊绳的寿命；随着海况恶劣程度的加剧，TLP风力机的动态响应也随之增大。

19 极限海况下Spar平台漂浮式风电场平台动态响应研究

王博 , 丁勤卫 , 李春 , 邓允河

2019, 34(9):164.

[摘要](196) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](71)

摘要:
平台稳定性是漂浮式风力机安全运行的基础。以漂浮式风力机Spar平台为研究对象，借鉴“铁索连舟”增强船舶稳定性的思想，建立了共用系泊系统基于Spar平台漂浮式风电场。运用水动力学软件AQWA，采用辐射/衍射理论并结合有限元方法，研究了极限海况下风、浪及流载荷联合作用下多平台的动态响应特性。结果表明：频域分析中，Spar平台在纵荡方向上的幅值响应算子随频率增加逐渐减小，最后趋向于零；在垂荡和纵摇方向上，幅值响应算子随频率增加先增加后减小，最后趋向于零，且峰值频率在低频区域。时域分析中，较之于单平台，漂浮式风电场平台在纵荡、横荡方向上的位移均得到了一定程度的减小，横摇及艏摇运动响应亦得到了抑制。增大系泊链接点半径的方法对于抑制漂浮式风电场平台艏摇响应效果明显。

20 基于混沌理论的海上风力机锥体结构抗冰研究

邹锦华 , 李春 , 叶柯华 , 许子非

2019, 34(9):173.

[摘要](157) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](76)

摘要:
为分析在风载-冰载联合作用下海上风力机塔架动力响应非线性特性，以多体动力学仿真开源软件FAST为平台，建立冰-构耦合模型，通过自编程序开发风力机海冰碰撞模块，计算NREL 5 MW风力机在安装不同锥体角度的锥体结构及未安装锥体时受海冰激励作用下的塔顶振动特性，并基于混沌理论，采用相图法及最大Lyapunov指数法从定性与定量两个角度研究了塔顶振动信号的非线性特征。结果表明：未安装锥体及70°锥体结构时，塔顶振动具有明显的混沌特征，最大Lyapunov指数大于零，表现出非周期性的非平稳特征；随着锥体角度的降低，混沌特性减弱并消失，当锥角为40°与50°时，最大Lyapunov指数小于零，混沌特性消失，该结果与塔顶位移时域分析结果相吻合，表明锥体结构能有效减弱塔顶振动，增加风力机稳定性。

21 基于自适应变分模态分解及多重分形谱的风力机轴承故障分析

许子非 , 李春 , 张万福 , 邓允河

2019, 34(9):181.

[摘要](139) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](76)

摘要:
风力机齿轮箱轴承故障信号具有典型非线性及非平稳特性，采用自适应变分模态法对4种状态下振动信号进行分解，提出基于分形盒维数-峭度阈值法（Adaptived Variational Mode Decomposition，AVMD）对处理所得分量进行筛选，选取富含故障信息的分量进行信号重构，采用多重分形去趋势波分析方法，分析重构信号的分形特征并识别其工作状态，结果表明：基于多重分形去趋势波分析法对非稳定轴承可进行有效地故障识别；轴承振动信号具有典型分形特征，在不同时间尺度下，标度指数、广义Hurst指数与多重分形谱均可反应轴承工作状态；3种多重分形谱参数对故障类型敏感度不同，谱函数最大值对应的奇异指数对内圈故障较为敏感，峰值占比对外圈故障较为敏感，分形谱宽对滚珠故障较为敏感。

22 基于改进小波阈值及多重分形的风力机轴承振动信号分析

许子非 , 李春 , 杨阳 , Musa

2019, 34(9):191.

[摘要](129) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](80)

摘要:
针对风电机组传动系统时变转速及强噪声干扰等运行特点，首先采用改进小波阈值降噪方法，对风力机齿轮箱轴承振动信号进行降噪预处理，然后基于分形理论，计算变转速轴承振动信号盒维数及多重分形谱，定量描述轴承不同状态下振动信号的特征信息。结果表明：基于改进阈值与硬阈值函数相结合的小波阈值降噪方法对振动信号进行降噪预处理，其降噪效果优于传统的4种阈值选取原则；多重分形去趋势波动分析方法对于定速及变速轴承均能进行有效的故障识别；谱函数最大值所对应的奇异指数α(f max)当轴承处于内环故障时最小，可有效判断轴承运行状态及故障位置，能对轴承不同的故障状态做出准确的判断。

23 风速时间序列非线性短期预测

黄致谦 , 丁勤卫 , 李春

2019, 34(9):199.

[摘要](114) [HTML](0) [PDF 0.00 Byte](84)

摘要:
针对风速时间序列复杂的非线性特征，根据C-C算法确定重构参数（嵌入维数及延迟时间）并对风速重构相空间，建立径向基函数神经网络(RBF网络)及Volterra自适应预测模型对风速时间序列进行预测，以Lorenz方程数值解为例验证了两种预测方法的可行性。结果表明：RBF神经网络模型和Volterra自适应预测模型都能对实测风速时间序列进行较为准确的预测，预测误差分别在0.3和0.1 m/s内；Volterra自适应预测模型预测结果总体较RBF神经网络模型预测精度更高，且随着预测时间的增大，预测误差呈增大趋势，这与混沌存在初值敏感性的特征相符。

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