基于非定常面元法的海上浮式风机气动性能研究

刘利琴，陈迪郁，沈文君，李 昊，邓万如

(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072； 2. 交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

叶片是风力机的关键部件，其表面形状对整个风机的空气动力学性能和风力机的风能利用率都会产生重要的影响，因此叶片的气动性能一直都是风力机的研究重点。为评估风力发电机效率和结构安全，需要正确预估不同来流条件下叶片上的风载荷。特别是在研究海上浮式风机时，自身的绕流情况会变得更为复杂。为了提高风能的利用效率，必须要准确快速地解决风机面临的空气动力学问题。

目前计算风机气动载荷的常用方法主要有叶素动量理论(BEM)、三维势流理论、计算流体力学(CFD)方法。其中，叶素动量理论基于工程经验提出，计算速度快，但不能很好地考虑风力机流场尾流特性；计算流体力学(CFD)方法可以准确地考虑流场黏性及尾流，但计算速度非常慢，难以用于大规模工程计算；基于三维势流理论的面元法计算风力机气动载荷逐渐受到人们的重视。该方法最早应用于模拟飞机机翼的空气动力学，Hess和Smith[1]首次采用面元法来计算无升力体的流体动力，为面元法理论奠定了基础。与叶素动量法和计算流体力学方法相比，面元法能在较少的时间内获得较高的计算精度[2]。作为一种数值求解方法，面元法可以真实地模拟叶片的几何形状，并在表面上满足边界条件，将问题简化为计算物体表面奇点单元的强度，不需要对整个流场进行求解，从计算的角度来看具有更高的经济性和实用性[3]。……