摘要

隨著現(xiàn)代水平軸風(fēng)力機(jī)的尺寸越來越大，風(fēng)力機(jī)葉片在停擺狀態(tài)下流體誘發(fā)振動問題也越來越受到重視。本文通過數(shù)值模擬研究風(fēng)力機(jī)在停擺狀態(tài)下葉片二維翼型截面的氣動性能及渦致振動現(xiàn)象，旨在為大型水平軸風(fēng)力機(jī)的氣彈穩(wěn)定性分析提供計算分析依據(jù)。模擬所使用的氣動模型為基于勢流理論渦型面元法（Vortex-Type Panel Method）建立的雙尾流模型（Double Wake Model）；選用的翼型為Du96-w-180。本文的研究主要有以下四部分：

（1）對雙尾流模型參數(shù)進(jìn)行測試研究，確定不同參數(shù)對模擬結(jié)果的影響規(guī)律，為模擬計算尋找合適的模型參數(shù)。

（2）采用雙尾流模型模擬預(yù)測翼型在深度失速區(qū)的氣動性能，預(yù)測的攻角范圍從60°至120°。最佳的C1-Cd預(yù)測曲線中，C1曲線與實驗曲線基本一致，Cd曲線與實驗曲線差別在10%左右。通過對C1的時間序列進(jìn)行FFT分析，得到翼型在90°攻角時的斯特勞哈數(shù)St=0.1。

（3）在翼型弦向加一個正弦規(guī)律變化的振動，通過改變振動的頻率與振幅研究翼型表面的氣動力與振動之間的“鎖定現(xiàn)象”。結(jié)果表明，當(dāng)翼型振動頻率與渦脫頻率接近時，翼型從流體中吸收的能量增大；與此同時，升力系數(shù)C1與振動位移x之間相互耦合，出現(xiàn)“鎖定現(xiàn)象”。隨著振動幅度的增大，鎖定程度加深，鎖定區(qū)變寬。最后，發(fā)現(xiàn)“鎖定現(xiàn)象”與振動之間為正反饋關(guān)系，分析認(rèn)為這是導(dǎo)致渦致振動出現(xiàn)的主要原因之一。

（4）在雙尾流模型的基礎(chǔ)上耦合一個三自由度的彈性模型，研究翼型在非定常氣動力作用下的自由振動響應(yīng)。忽略結(jié)構(gòu)阻尼情況下，當(dāng)揮舞方向（Edgewise）的自然頻率與翼型渦脫頻率相等時，揮舞振動隨時間不斷加劇，發(fā)生共振；當(dāng)自然頻率與渦脫頻率遠(yuǎn)離時，振動逐漸減弱。考慮結(jié)構(gòu)阻尼的模擬中得到了不同阻尼系數(shù)下的振動響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)振動隨阻尼系數(shù)的增大而減弱。

總之，本文使用雙尾流模型模擬預(yù)測了翼型Du96-w-180在深度失速區(qū)的氣動性能，得到了翼型振動時的“鎖定現(xiàn)象”并探討了渦致振動的產(chǎn)生機(jī)理，并初步研究了彈性支撐翼型在非定常氣動力作用下的自由振動響應(yīng)情況。

關(guān)鍵詞：雙尾流模型；停擺風(fēng)力機(jī)；二維數(shù)值模擬；氣彈耦合；鎖定現(xiàn)象；渦致振動