大型风力机叶片压电陶瓷布置方案及抑颤研究
发布时间：2020-12-06 03:46
风力发电机组的大型化使得叶片气弹问题成为造成叶片疲劳破坏、使用周期缩短的主要原因,而近年来压电材料在主动控制领域的应用有效的解决了这一问题。为了研究压电陶瓷对叶片动态稳定性的影响,本文在现有颤振控制研究的基础上以8MW风力机为研究对象,在铺层中加入压电陶瓷片,研究其铺设位置对叶片颤振的抑制效果,并通过搭建悬臂梁动力学实验平台探讨压电材料对变厚度柔性结构的适用性,具体内容如下:1、基于BEM理论对8MW风力机叶片进行了气动设计,并利用数值模拟方法验证了所设计叶片的正确性及额定工况下叶片的气动性能。结果表明:叶片轴向力从叶根至叶尖呈先增后减趋势,至72m附近达到最大值,而切向力整体并无明显变化;xz平面内的速度扩散随至轮毂中心距离的增加而逐渐加深,2D时几乎扩散至整个静止域;叶片上下表面压差随半径的增大而增大。2、就压电陶瓷片铺设位置设计了五种方案下的风力机叶片,对比研究了压电材料对叶片结构性能的影响。结果表明:铺设压电材料可增大叶片固有频率;在静载荷作用下,五种方案的叶片均能在不同程度上增大叶片刚度、减小叶尖最大位移,效果最佳的是沿叶片展向全部铺设的方案;在瞬态载荷作用下,五种方案的叶片...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
叶片坐标系根据2.1.2小节叶素理论中的分析，将合力分解为弦线方向的Xq和垂直于弦
硕士学位论文253.3.1叶片气动设计结果基于BEM理论于Matlab软件中编写迭代程序，计算得到的叶片40个叶素截面处的弦长和安装角，如图3.4和图3.5所示。图中弦长和安装角采用曲线变化，是为保证风力机叶片的效率最大化。图3.4弦长沿叶片展向的分布图3.5扭角沿叶片展向的分布3.3.2叶片三维建模风力机叶片的三维建模是后续数值模拟的基础也是重要一步，而随着机组的大型化叶片的形状也因弦长和扭角的变化而复杂化。因此，合理且正确的三维模型是数值模拟结果准确性的前提。本文中8MW风力机叶片的具体建模过程如下：（1）利用Profili软件输出翼型DXF文件，默认弦长为0L=1000mm，需根据气动设计结果所得各截面处弦长进行相应缩放。（2）利用坐标变换理论将二维翼型坐标数据转换为叶片的三维坐标[53]。（3）于Solidworks软件中生成的风轮三维模型，如图3.6所示。风轮计算域包括旋转域和静止域，如图3.7所示，内部为旋转域，外部为静止域。取外部静止域半径为1.5D（D为风轮直径），入口距风轮旋转中心2D，出口距离风轮旋转中心4D，内部旋转域半径为1.1D。图3.6风轮三维模型010203040506070802345678C/mr/m弦长01020304050607080-0.12-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.080.10β/°r/m扭角
大型风力机叶片压电陶瓷布置方案及抑颤研究26图3.7计算域示意图3.4叶片CFD模拟3.4.1网格划分作为普遍使用的前处理软件，ANSYSICEMCFD拥有灵活的拓扑构建方式、强大的网格划分能力以及多样的求解器接口，能够输出网格至各类求解器，如：FLUENT、CFX、ANSYS、等。众所周知，常规数值模拟软件都会使用网格，作用在于将连续的计算域分解成可以利用流体控制方程进行求解的有限小计算域，最终得到连续计算域的物理量分布。用于数值模拟的网格按其结构分为结构网格和非结构网格，结构网格指区域内所有节点都具有相同的毗邻单元，且节点间存在明确数学逻辑关系。相反非结构网格没有规则拓扑结构，节点间也不存在明确逻辑关系，相对于结构网格具有更高的灵活性，也更适合于复杂模型的网格划分。因此，本文选择使用非结构网格对风轮、旋转域、静止域进行网格划分，结果如图3.8所示。图3.8计算域网格图3.4.2计算边界设置作为目前国内外使用最多的CFD模拟软件之一，Fluent软件提供了完全的网格灵活性，物理模型的多样化、计算方法的精准化和处理功能优越化使得Fluent软件可以模拟复杂模型的流体流动，且能针对不同问题的特点选用适合的模型及
本文编号：2900662
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
叶片坐标系根据2.1.2小节叶素理论中的分析，将合力分解为弦线方向的Xq和垂直于弦
硕士学位论文253.3.1叶片气动设计结果基于BEM理论于Matlab软件中编写迭代程序，计算得到的叶片40个叶素截面处的弦长和安装角，如图3.4和图3.5所示。图中弦长和安装角采用曲线变化，是为保证风力机叶片的效率最大化。图3.4弦长沿叶片展向的分布图3.5扭角沿叶片展向的分布3.3.2叶片三维建模风力机叶片的三维建模是后续数值模拟的基础也是重要一步，而随着机组的大型化叶片的形状也因弦长和扭角的变化而复杂化。因此，合理且正确的三维模型是数值模拟结果准确性的前提。本文中8MW风力机叶片的具体建模过程如下：（1）利用Profili软件输出翼型DXF文件，默认弦长为0L=1000mm，需根据气动设计结果所得各截面处弦长进行相应缩放。（2）利用坐标变换理论将二维翼型坐标数据转换为叶片的三维坐标[53]。（3）于Solidworks软件中生成的风轮三维模型，如图3.6所示。风轮计算域包括旋转域和静止域，如图3.7所示，内部为旋转域，外部为静止域。取外部静止域半径为1.5D（D为风轮直径），入口距风轮旋转中心2D，出口距离风轮旋转中心4D，内部旋转域半径为1.1D。图3.6风轮三维模型010203040506070802345678C/mr/m弦长01020304050607080-0.12-0.10-0.08-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.080.10β/°r/m扭角
大型风力机叶片压电陶瓷布置方案及抑颤研究26图3.7计算域示意图3.4叶片CFD模拟3.4.1网格划分作为普遍使用的前处理软件，ANSYSICEMCFD拥有灵活的拓扑构建方式、强大的网格划分能力以及多样的求解器接口，能够输出网格至各类求解器，如：FLUENT、CFX、ANSYS、等。众所周知，常规数值模拟软件都会使用网格，作用在于将连续的计算域分解成可以利用流体控制方程进行求解的有限小计算域，最终得到连续计算域的物理量分布。用于数值模拟的网格按其结构分为结构网格和非结构网格，结构网格指区域内所有节点都具有相同的毗邻单元，且节点间存在明确数学逻辑关系。相反非结构网格没有规则拓扑结构，节点间也不存在明确逻辑关系，相对于结构网格具有更高的灵活性，也更适合于复杂模型的网格划分。因此，本文选择使用非结构网格对风轮、旋转域、静止域进行网格划分，结果如图3.8所示。图3.8计算域网格图3.4.2计算边界设置作为目前国内外使用最多的CFD模拟软件之一，Fluent软件提供了完全的网格灵活性，物理模型的多样化、计算方法的精准化和处理功能优越化使得Fluent软件可以模拟复杂模型的流体流动，且能针对不同问题的特点选用适合的模型及
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