1　緒論

1.1　研究背景

風(fēng)能是一種非常重要的清潔與可再生能源，人類社會對于風(fēng)能的利用可以追溯到數(shù)千年前，人們利用風(fēng)力來驅(qū)動船只、提水灌溉、碾磨谷物。到19世紀(jì)末，人們開始利用風(fēng)力發(fā)電，在解決農(nóng)村及偏遠地區(qū)的用電問題上發(fā)揮了重要作用。在此期間，風(fēng)能始終沒夠得到足夠的重視，風(fēng)能利用技術(shù)進步緩慢。直到1973年世界石油危機，在化石能源短缺以及環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為可再生能源的重要組成受到了足夠的重視，風(fēng)能利用技術(shù)尤其是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了蓬勃發(fā)展。

風(fēng)能利用的關(guān)鍵部件是風(fēng)力機，風(fēng)力機主要分為水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機兩大類。得益于成熟的螺旋槳技術(shù)，水平軸風(fēng)力機在近半個世紀(jì)中飛速發(fā)展，成為了大中型風(fēng)力發(fā)電機的主要機型。從1980年至2005年，水平軸風(fēng)力機葉輪直徑由15m增長到125m，容量也從最大幾十千瓦增加到5MW。依此趨勢，在未來的20年里，水平軸風(fēng)力機有可能達到直徑250m，容量20MW以上，這意味著將來可以利用更多風(fēng)能。早期階段的風(fēng)力機尺寸相對較小，對風(fēng)力機的研究主要集中在如何優(yōu)化風(fēng)力機葉片的氣動性能以提高風(fēng)能利用率方面，而對風(fēng)力機葉片的氣動彈性問題研究相對較少。隨著風(fēng)力機尺寸的不斷增大，風(fēng)力機葉片氣動力和結(jié)構(gòu)變形之間的相互影響逐漸增大，由此引發(fā)的風(fēng)力機葉片振動及可能帶來的疲勞損壞問題嚴(yán)重制約著現(xiàn)代風(fēng)力機的發(fā)展。因此，風(fēng)力機葉片的氣彈穩(wěn)定性問題越來越受到研究人員的重視。

風(fēng)力機在遭遇強風(fēng)天氣時，為了保證風(fēng)力機的安全必須停止運行，保持停擺狀態(tài)。根據(jù)國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)，停擺風(fēng)力機的受力及載荷情況分析對必須要對各個來流風(fēng)向做出全面評估。當(dāng)風(fēng)力機處于停擺狀態(tài)，且來流風(fēng)向垂直于風(fēng)輪平面時，葉片各截面的攻角大多處于深度失速區(qū)中的90°附近，經(jīng)過葉片的氣流流動分離非常嚴(yán)重，呈現(xiàn)明顯的非定常特性。實驗及研究表明，在高風(fēng)速、大分離以及非定常流動條件下，流動容易誘使風(fēng)力機葉片產(chǎn)生振動。葉片振動對風(fēng)力機尤其是大型風(fēng)力機危害巨大：①葉片長期振動容易導(dǎo)致葉片疲勞損害，縮短葉片壽命；②葉片振動可能誘發(fā)整機發(fā)生共振，使整機失穩(wěn)；③劇烈的葉片振動甚至能夠直接使葉片發(fā)生斷裂失效。因此，對停擺風(fēng)力機葉片流動誘發(fā)振動問題進行研究對現(xiàn)代大型風(fēng)力機的發(fā)展具有重要意義。