风能作为一种清洁可再生能源,具有广阔的发展前景。自然风风向变化致使风轮对风不及时,来流风载荷不能均匀作用在风轮上,变化的流场必然会引起风轮结构发生变化,其中偏侧风是激励叶片动态特性改变的一个重要因素。因此,揭示偏侧风对风轮的影响机理是风力机叶片设计及结构优化的重要研究课题。本文基于一种瞬态计算分析叶片动态特性的数值研究方法,为偏侧风工况下风力机叶片设计及结构优化提供新思路。通过构建风力机整机和计算流体力学CFX模块的瞬态耦合系统,针对某翼型风力机整机全尺寸物理建模,采用“分区域加密”的网格划分方法,捕捉到流场细节的分布特征及演变规律,定性定量地分析不平衡气动力激励下风轮结构特征参数的响应规律,用以揭示偏侧风工况对叶片结构动态响应的影响。本文主要研究内容分为以下三个方面:首先,借助涡量云图数据,对近尾迹流场的涡旋进行追踪和识别,以涡量密集区个数为判断依据,发现有多个涡旋频繁出现、消失,而在尾舵靠近中心涡一侧大旋涡的生成居多,在远离中心涡一侧的旋涡区域耗散居多;虽然下游两倍风轮直径处生成较多涡量密集区,但该区域旋涡的能量偏弱,因此该区域并非涡量场中能量的主要分布区。轴向来流时,上游和下游涡旋的生消个数没有显著区别;当偏侧风角在20°~30°范围内,尾舵进入叶尖涡的传播区域,叶尖涡的高频脱落特性造成中心涡和叶尖涡频繁相互作用,使得叶尖涡的稳定结构不易维持,以致其生命周期缩短,同时,尾舵附近产生高强度涡量密集区,从而使风轮与来流风向的夹角变小,迫使风轮对风,揭示小型风力机自动对风装置除依靠风轮偏转力矩以外的又一个偏航调控机理。其次,叶尖变形量是在分析叶片结构场变化中为数不多的可直观体现其变化的特征参数,对其进行研究发现:不同偏侧风角下,叶尖轴向位移随方位角的变化规律并非简单的正弦曲线,借助于多项式拟合对叶尖轴向位移数据处理,得到叶尖轴向位移呈四次多项式的动态响应规律;虽然不同偏侧风角度间叶尖轴向位移拟合多项式的系数不同,但得到的拟合曲线皆为四次多项式。同时,风轮旋转平面流场特征参数的分析揭示不论偏侧风角度如何变化,叶片旋转至方位角120°~240°范围内叶尖轴向位移都会出现最小值的原因,是由于塔架周围流场紊乱抵消部分来流风载。最后,根据偏侧风工况下风轮近尾迹流场的涡量分布规律,结合叶尖结构动态响应规律,揭示叶尖涡量与叶尖轴向位移量是正相关的关系,并非线性关系;以二者关联性的定量分析,引入“最恶劣侧风角”的概念,定义偏侧风角20°是叶尖轴向位移变化量最大的偏侧风角度。利用风洞试验对分析结果进行验证,数值计算结果误差可控制在±8.5以内,精度较好,证明所得结论的可靠性。