摘要：随着全球风力机行业的迅猛发展，风力机的大型化已成为未来的发展趋势。但在实际工程应用中，自然界的风对于风力机的叶片和塔架在结构和所受载荷等一些方面存在着十分复杂的影响：当流体经过风力机时，塔架后方产生的频繁脱落的卡门涡街会与柱体相互作用形成涡激振动，这种现象会对塔架的结构造成严重的安全隐患；此外，由于塔架对来流风的阻挡作用会产生塔影效应，这种效应会影响叶片上受到的空气动力载荷，减小叶片的疲劳寿命及输出功率，同时塔影效应还会影响风力机的尾流区，进而对下游风力机的功率输出造成影响。因此，研究风力机的塔架结构以减小涡激振动，塔影效应以及空气动力载荷产生的负面影响，具有重要的工程实用价值。

本文基于4方程转捩模型的数值模拟方法，在雷诺数为30000的工况下，对有/无叶片扰动时以及不同风攻角情况下的仿海豹胡须塔架的风机和圆柱型塔架的风机进行研究，对比分析两种模型的气动尾流场性能。

通过对无叶片扰动时的仿生塔架和圆柱型塔架的对比研究发现，仿生塔架的升力系数约为圆柱型塔架的2/3，阻力系数约为圆柱型塔架的1/2，且对比力系数的统计值发现仿生塔架上产生了更少的弯曲变形和振动现象。此外，仿生塔架由于其几何外形的特殊性，不同位置截面处的卡门涡街的脱落不一致，使得塔架后的涡街具有三维特性，从而利于仿生塔架后的涡街可以更快消散，达到抑制涡激振动的目的。

通过对0°、45°和90°三种风攻角情况下的仿生塔架和圆柱型塔架的对比研究发现，随着攻角的增加，仿生塔架发生弯曲变形以及振动现象的方向和幅度都在发生变化，但较圆柱型塔架而言均有明显的改善。因此仿生塔架比圆柱型塔架可以更好地适应不同风攻角的情况，实现较佳的偏航功能。

通过对叶片在不同方位角的扰动时的仿生塔架与圆柱型塔架风力机的对比研究发现，叶片在处于塔架的正上游时，叶片表面受到的推力和扭矩以及产生功率和塔架表面受到的压力均最小。此外，较圆柱型塔架而言，仿生塔架有效地减少了风力机受到的空气动力载荷，即仿生塔架上的叶片受到的推力较小且扭矩较大，进而使受到的功率也较大；仿生塔架尾流区中速度亏损恢复得更快，周围流场的压力更小。因此仿生塔架产生的塔影效应对叶片和塔架受到的空气动力以及塔架尾流区的影响更小，在提高风力机的功率输出的方面有显著的改善作用。

关键词：仿生塔架；涡激振动；塔影效应；空气动力载荷；4方程转捩模型

目录

摘要

Abstract

1. 绪论-1

1.1 课题背景及研究的目的和意义-1

1.2 研究现状-2

1.2.1 涡激振动-2

1.2.2 塔影效应-4

1.3 本文主要的研究内容-5

2. 数学模型-6

2.1 引言-6

2.2 基本控制方程-6

2.3 模型-7

2.4 转捩模型-8

2.5 本章小结-9

3. 无叶片扰动时仿生塔架与圆柱型塔架的对比研究-10

3.1 引言-10

3.2 模型设计-10

3.3 模型计算-12

3.3.1 计算域-12

3.3.2 网格划分-13

3.3.3 边界条件-14

3.3.4 数值求解方法-14

3.4 结果分析-15

3.4.1 塔架表面力-15

3.4.2 压力分布-17

3.4.3 速度分布及流动模式-19

3.5 本章小结-21

4. 风攻角对仿生塔架气动性能和尾流场特性的影响-23

4.1 引言-23

4.2 模型计算-23

4.2.1 计算域-23

4.2.2 网格划分-25

4.2.3 边界条件-26

4.2.4 数值求解方法-26

4.3 结果分析-26

4.3.1 塔架表面力-26

4.3.2 压力分布-29

4.3.3 速度分布及流动模式-30

4.4 本章小结-32

5. 叶片扰动时仿生塔架风力机与圆柱型塔架风力机的对比研究-34

5.1 引言-34

5.2 模型设计-34

5.3 模型计算-35

5.3.1 计算域-35

5.3.2 网格划分-36

5.3.3 边界条件-37

5.3.4 数值求解方法-37

5.4 结果分析-38

5.4.1 叶片所受推力及扭矩分布-38

5.4.2 塔架不同高度处的表面压力分布-40

5.4.3 压力分布-42

5.4.4 速度分布及流动模式-45

5.4.5 湍流强度-47

5.5 本章小结-50

6. 结论与展望-52

6.1 研究结论-52

6.2 研究展望-52

致谢-54

参考文献-55