大型风力机叶片动力失速气动弹性力学问题理论建模与数值研究

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空气动力学特性、新材料新工艺应用及控制策略已经成为大型风力机叶片的重要的理论研究和实际开发的课题,其理论研究的一个重要方向就是设计合理、气动性能优良、使用寿命较长的风机叶片,所以需要对风力机的动力学特性、结构特性和气弹稳定性等问题进行研究,而其中最重要的就是叶片的气动弹性稳定性问题。  本文主要研究大型风力机叶片非线性气动力作用下的气弹稳定性问题。从叶片的结构模型和叶片的非线性气弹模型入手,分别采用特征值技术、时间积分法、伽辽金方法以及片条理论,研究叶片的气弹稳定性特性,获得风力机叶片的气弹稳定性特性随设计参数变化的规律。主要研究内容包括:  1)基于Beddose-Leishman(B-L)模型、拟定常ONERA模型的动力失速状态下以及叶片典型截面模型的叶片气弹稳定性分析。采用拟合系数的方法简化了B-L模型应用中的气动力计算问题、非线性降阶问题,并大大缩减了计算量;对于大攻角下的动力失速颤振问题,主要基于拟定常ONERA模型,研究了挥舞、摆振方向的稳定性问题,并研究了影响气弹稳定性的不同的因素及其参数范围。  2)基于非线性ONERA模型的复合材料薄壁叶片的弯-扭耦合、以及弯-弯-扭耦合气弹稳定性分析。采用伽辽金法建立广义坐标表示的叶片二阶非线性气弹常微分方程组,根据片条理论计算非线性广义气动力;利用摄动技术在非线性静平衡点附近对非线性气弹系统进行线性化,采用特征值方法以及时域积分法估计叶片的非线性颤振边界和气弹响应的稳定性;同时研究了预扭对弯-弯-扭耦合叶片的气弹稳定性的影响,得出了一次预扭和二次预扭作用下的气弹稳定性规律。  3)基于结构阻尼的弯-弯-扭耦合叶片的气弹稳定性分析。计算了复合材料薄壁结构的模态阻尼因子,研究了叶片加入结构阻尼的方法,并对于不同的铺层角度,对比了未加结构阻尼和加入结构阻尼后的稳定性,得出了结构阻尼对稳定性影响的相关结论,  特征值分析和时域计算结果表明:风力机叶片的转速、纤维铺层角、预扭以及结构阻尼对叶片非线性颤振边界,有明显的影响;所建立的分析模型与计算方法对于风力机复合材料叶片的动力失速非线性气弹稳定性问题的研究,有一定的参考价值。  本文基于非线性气动力作用下的大型风力机复合材料薄壁叶片的气弹稳定性问题的理论建模与分析计算方法,目前在国内外属于风力机气弹研究的前沿领域,具有明显的科学研究价值,研究结果将进一步为大型风力机叶片的颤振抑制技术的开发与应用,奠定理论基础。
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