风力机叶片非定常气动特性研究取得进展

　　近日，中科院工程热物理研究所国家能源风电叶片研发（试验）中心对风力机非定常气动过程的流动特点和载荷变化规律开展了相关研究，极大地优化了叶片设计和风力机控制策略。风力机是大型的外流旋转机械，绕风力机叶片的流动十分复杂。在运行环境中，由于风切变、塔影效应、阵风以及变桨和偏航调节的影响，风力机的气动特性是高度非定常的。到目前为止，对风力机气动特性的研究还集中在均匀恒定的入流风速条件下，而对非定常情况下的流动机理的认识还非常有限。
　　首先采用基于RANS方程的CFD方法，分析了湍流模型的选取对风力机风轮气动性能预测精度的影响，得到了适合风力机流动状况的湍流模型。在此基础上对切变入流情况下风力机的气动特性进行了数值模拟，研究了载荷波动变化的规律和非定常载荷的滞后效应。
　　采用CFD方法对风力机进行非定常模拟时对计算资源占用大，耗时长，因此寻找一种高效、准确的载荷计算方法是非常必要的。在后续的研究中，研究人员用计算域中的体积力空间分布替代叶片实体，该方法不需要对叶片表面粘性边界层流动进行求解，减少了叶片附近的网格数量，节省了建模和数值求解的时间。采用上述理论编写致动盘、致动线数值计算程序，通过与实验数据进行比较，对其在风力机载荷预测的准确度进行验证。在此基础上，对风力机的快速变桨过程和不同切变风速情况下的载荷动态变化特点和尾流流动特性进行了深入的研究。
　　风电叶片研发（试验）中心通过上述研究，实现了致动线方法在风力机叶片整体载荷和截面气动力计算中的高效、准确应用。