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基于BEM-GEBT-HBM嵌套的风力机叶片三维时变气动阻尼高效求解方法
1
作者
吴鸿鑫
柯世堂
+2 位作者
王同光
任贺贺
田文鑫
《力学学报》
北大核心
2025年第10期2319-2331,共13页
风力机叶片风振过程中,其气动阻尼表现出显著的时间和空间变化特性.然而,由于计算方法的局限性和工程效率的要求,实际工程中常忽略其三维时变性,采用经验值进行简化处理.本文基于改进的叶素动量理论(BEM)与几何精确梁理论(GEBT)的耦合方...
风力机叶片风振过程中,其气动阻尼表现出显著的时间和空间变化特性.然而,由于计算方法的局限性和工程效率的要求,实际工程中常忽略其三维时变性,采用经验值进行简化处理.本文基于改进的叶素动量理论(BEM)与几何精确梁理论(GEBT)的耦合方法,通过勒让德谱有限元构建了风力机叶片的非线性动力学模型,并基于变分原理线性化了叶片的非线性气弹动力学模型.在此基础上,将该模型与谐波平衡法(HBM)嵌套,完成线性系统在各谐波频率上的周期降阶,实现振动问题与流场问题的解耦求解,提出了一种高效求解风力机叶片三维时变气动阻尼的方法.通过气弹风洞实验数据的对比验证,分析了误差来源并验证了方法的准确性和可靠性.进一步地,以IEA15MW叶片为算例,在典型尖速比条件下系统研究了大型柔性叶片在旋转工况下气动阻尼的三维时变特性,并从叶片表面绕流特性出发揭示了其作用机理.算例表明,该方法不仅能够高效捕捉气动阻尼在时空上的演化规律,还能揭示其在展向负功与正功的动态分布、局部绕流涡结构的演化过程,以及吸力面与压力面气动载荷交替作用中的耦合效应.结果表明,所提出的BEM-GEBT-HBM三维时变气动阻尼计算框架在精度和效率上均具有显著优势,为超长柔性叶片的气动弹性设计与安全评估提供了新的有效工具.
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关键词
风力机叶片
气
动阻尼
三维时变性
降阶算法
气弹模态
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职称材料
风力机叶片压电抑振效应与能量耗散机制研究
2
作者
吴鸿鑫
柯世堂
+3 位作者
陆曼曼
高沐恩
田文鑫
王同光
《振动工程学报》
EI
CSCD
北大核心
2023年第6期1664-1675,共12页
压电智能叶片是随着风力机向大型化发展而被提出的自适应减振概念叶片,本文探索了叶片压电抑振效应和能量耗散机制,提出了适用于变截面三维叶片的等效梁截面气弹模型设计方法,并基于同步测振测力气弹风洞试验对比研究了15 MW风力机叶片...
压电智能叶片是随着风力机向大型化发展而被提出的自适应减振概念叶片,本文探索了叶片压电抑振效应和能量耗散机制,提出了适用于变截面三维叶片的等效梁截面气弹模型设计方法,并基于同步测振测力气弹风洞试验对比研究了15 MW风力机叶片压电抑振效应;再基于二次开发的机电耦合叶片动力学模型,分析了机电气弹耦合模态的转速演变规律与能量分布形式,揭示了压电叶片的能量耗散机制。研究表明:提出的气弹风洞试验方法可有效反映压电叶片风振抑制效果;压电材料可缩小风力机叶片的敏感风向角区间,提高大幅锁频振动临界风速,延长气弹失稳的能量积累时间;压电材料导致叶片风振能量在模态空间均分转移,削弱了负阻尼模态的能量集聚,增强了正阻尼模态的能量耗散。
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关键词
15
MW风力机叶片
气
弹
风洞试验
压电抑振效应
能量耗散机制
机电
气
弹
耦合
模态
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职称材料
题名
基于BEM-GEBT-HBM嵌套的风力机叶片三维时变气动阻尼高效求解方法
1
作者
吴鸿鑫
柯世堂
王同光
任贺贺
田文鑫
机构
南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室
南京航空航天大学土木与机场工程系
出处
《力学学报》
北大核心
2025年第10期2319-2331,共13页
基金
国家重点研发计划项目(2024YFF0505400)
国家自然科学基金重点项目(5231101289)
+2 种基金
江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX22_0333)
南京航空航天大学博士学位论文创新与创优基金项目(BCXJ23-01)
南京航空航天大学研究生拔尖创新人才培养“引航计划”跨学科创新基金项目(KXKCXJJ202302)资助.
文摘
风力机叶片风振过程中,其气动阻尼表现出显著的时间和空间变化特性.然而,由于计算方法的局限性和工程效率的要求,实际工程中常忽略其三维时变性,采用经验值进行简化处理.本文基于改进的叶素动量理论(BEM)与几何精确梁理论(GEBT)的耦合方法,通过勒让德谱有限元构建了风力机叶片的非线性动力学模型,并基于变分原理线性化了叶片的非线性气弹动力学模型.在此基础上,将该模型与谐波平衡法(HBM)嵌套,完成线性系统在各谐波频率上的周期降阶,实现振动问题与流场问题的解耦求解,提出了一种高效求解风力机叶片三维时变气动阻尼的方法.通过气弹风洞实验数据的对比验证,分析了误差来源并验证了方法的准确性和可靠性.进一步地,以IEA15MW叶片为算例,在典型尖速比条件下系统研究了大型柔性叶片在旋转工况下气动阻尼的三维时变特性,并从叶片表面绕流特性出发揭示了其作用机理.算例表明,该方法不仅能够高效捕捉气动阻尼在时空上的演化规律,还能揭示其在展向负功与正功的动态分布、局部绕流涡结构的演化过程,以及吸力面与压力面气动载荷交替作用中的耦合效应.结果表明,所提出的BEM-GEBT-HBM三维时变气动阻尼计算框架在精度和效率上均具有显著优势,为超长柔性叶片的气动弹性设计与安全评估提供了新的有效工具.
关键词
风力机叶片
气
动阻尼
三维时变性
降阶算法
气弹模态
Keywords
wind turbine blade
aerodynamic damping
three-dimensional time-varying characteristics
model order reduction
aeroelastic mode
分类号
O355 [理学—流体力学]
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职称材料
题名
风力机叶片压电抑振效应与能量耗散机制研究
2
作者
吴鸿鑫
柯世堂
陆曼曼
高沐恩
田文鑫
王同光
机构
南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室
南京航空航天大学土木与机场工程系
出处
《振动工程学报》
EI
CSCD
北大核心
2023年第6期1664-1675,共12页
基金
国家重点研发计划资助项目(2019YFB1503700)
国家自然科学基金资助项目(52078251,51761165022,52111018794)
+2 种基金
江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX22_0333)
南京航空航天大学博士学位论文创新与创优基金项目(BCXJ23-01)
南京航空航天大学研究生拔尖创新人才培养“引航计划”跨学科创新基金项目(KXKCXJJ202302)。
文摘
压电智能叶片是随着风力机向大型化发展而被提出的自适应减振概念叶片,本文探索了叶片压电抑振效应和能量耗散机制,提出了适用于变截面三维叶片的等效梁截面气弹模型设计方法,并基于同步测振测力气弹风洞试验对比研究了15 MW风力机叶片压电抑振效应;再基于二次开发的机电耦合叶片动力学模型,分析了机电气弹耦合模态的转速演变规律与能量分布形式,揭示了压电叶片的能量耗散机制。研究表明:提出的气弹风洞试验方法可有效反映压电叶片风振抑制效果;压电材料可缩小风力机叶片的敏感风向角区间,提高大幅锁频振动临界风速,延长气弹失稳的能量积累时间;压电材料导致叶片风振能量在模态空间均分转移,削弱了负阻尼模态的能量集聚,增强了正阻尼模态的能量耗散。
关键词
15
MW风力机叶片
气
弹
风洞试验
压电抑振效应
能量耗散机制
机电
气
弹
耦合
模态
Keywords
15 MW wind turbine blades
aeroelastic wind tunnel test
piezoelectric vibration attenuation effect
dissipation mechanism of energy
electrical-aeroelastic coupling mode
分类号
TM614 [电气工程—电力系统及自动化]
TK83 [动力工程及工程热物理—流体机械及工程]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
基于BEM-GEBT-HBM嵌套的风力机叶片三维时变气动阻尼高效求解方法
吴鸿鑫
柯世堂
王同光
任贺贺
田文鑫
《力学学报》
北大核心
2025
0
在线阅读
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职称材料
2
风力机叶片压电抑振效应与能量耗散机制研究
吴鸿鑫
柯世堂
陆曼曼
高沐恩
田文鑫
王同光
《振动工程学报》
EI
CSCD
北大核心
2023
0
在线阅读
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职称材料
已选择
0
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