超长风力涡轮机叶片缩比模型的空气动力学-结构相似性判据

《Renewable Energy》：Aerodynamic-structural similarity criteria for scaled-down models of ultra-long wind turbine blade

超长风电叶片气动弹性相似准则及刚度控制策略研究，基于3D等比相似（3DIS）和壳体相似（SS）理论推导自然频率与长度比关系，构建NREL 15MW叶片的CFD-CSD耦合模型，提出兼顾气动与结构相似性的刚度控制方法，并通过误差分析验证了风洞试验模型的有效性。

　　本研究聚焦于超长风力涡轮机叶片的颤振特性及其机制，探讨了如何通过建立准确的气动-结构相似性准则，以提高缩尺模型在风洞试验中的应用价值。随着风力发电技术的不断进步，现代水平轴风力涡轮机（HAWTs）的叶片长度已突破140米，这种巨大的尺寸使得叶片在空气动力学和结构力学方面的特性变得更加复杂。叶片的长细比增加，导致其重心远离旋转轴，从而增加了空气动力学与结构动力学耦合下的不稳定性，进而引发更严重的颤振现象。因此，为了深入理解这种复杂现象，研究人员通常依赖于缩尺模型进行实验分析，以揭示叶片在实际运行中的动态行为。

然而，构建能够准确反映原叶片特性的缩尺模型仍是一个公认的挑战。一方面，缩尺模型的材料选择和制造工艺往往无法完全复制原叶片的复合材料特性；另一方面，由于缩尺比例较大，叶片表面的气流条件也会发生显著变化，从而影响其空气动力学表现。此外，当前在气动-结构相似性准则方面的系统性研究仍然不足，导致缩尺模型在实际测试中可能无法准确反映原叶片的颤振行为。因此，建立一套能够同时满足气动与结构相似性的准则，对于缩尺模型的构建和风洞试验的可靠性至关重要。

本研究通过理论推导，提出了适用于风力涡轮机叶片的气动-结构相似性准则，并结合3D等距相似性（3DIS）和壳体相似性（SS）两种方法，构建了缩尺叶片的刚度控制策略。通过引入这两种相似性准则，研究人员能够更精确地调整缩尺模型的结构参数，使其在保持气动特性的前提下，尽可能接近原叶片的动态行为。此外，本研究还基于NREL 15 MW叶片的复合材料铺层和CFD模型，建立了相应的缩尺模型，并通过误差函数对气动相似性和壳体相似性进行了量化分析，以评估缩尺模型的准确性。

为了进一步验证相似性准则的可行性，研究团队采用了一系列实验和模拟手段。首先，通过风洞试验和数值模拟相结合的方式，对不同缩尺比例的叶片模型进行了测试，观察其在不同工况下的颤振行为。其次，基于CFD模型和CSD模型的构建，研究团队计算了缩尺叶片在不同长度比例下的气动载荷和结构响应，从而评估其与原叶片之间的相似性程度。结果表明，采用3DIS和SS方法能够有效降低缩尺模型在气动和结构特性上的偏差，提高其在风洞试验中的预测能力。

在构建缩尺模型的过程中，刚度控制是一个关键环节。由于缩尺比例较大，叶片的刚度可能会发生显著变化，从而影响其颤振特性。为此，研究团队提出了一种基于3DIS和SS的刚度控制策略，通过调整叶片的结构参数，如材料厚度、铺层方向和连接方式，使得缩尺模型在保持原有气动外形的基础上，具备与原叶片相近的刚度特性。这种策略不仅能够提高缩尺模型的结构相似性，还能确保其在风洞试验中能够准确反映原叶片的动态行为。

此外，本研究还强调了缩尺模型在实际应用中的灵活性和可操作性。考虑到制造条件和测试需求的差异，研究人员可以根据具体情况选择不同的相似性准则进行模型构建。例如，在某些情况下，3DIS可能更适合，而在其他情况下，SS可能更为适用。通过这种开放性的选择机制，研究团队能够更好地适应不同的实验条件，提高缩尺模型的实用价值。

在误差分析方面，研究团队引入了气动相似性误差和壳体相似性误差的概念，用于量化缩尺模型与原叶片之间的差异。通过对这些误差的计算，研究人员能够评估不同缩尺比例下模型的准确性，并据此优化模型设计。例如，当缩尺比例为70:1时，研究团队发现气动相似性误差和壳体相似性误差均处于可接受范围内，说明此时的模型能够较好地反映原叶片的特性。然而，当缩尺比例过小时，误差可能会显著增加，因此需要在模型设计中进行合理的平衡。

本研究还指出，当前许多缩尺模型的构建主要依赖于数值模拟和风洞试验相结合的方法。其中，数值模拟方法因其成本低、灵活性强而受到广泛关注，但其结果仍需通过风洞试验进行验证。相比之下，风洞试验虽然能够提供更直观的实验数据，但其成本较高，且受限于实验条件和设备精度。因此，建立一套能够有效结合两者优势的相似性准则，是提高缩尺模型在风洞试验中应用价值的关键。

为了进一步验证相似性准则的实用性，研究团队对NREL 15 MW叶片的缩尺模型进行了详细的分析。通过构建该叶片的CFD模型和CSD模型，研究团队计算了不同缩尺比例下的气动载荷和结构响应，并结合误差函数对模型的相似性进行了评估。结果表明，采用3DIS和SS方法能够有效减少缩尺模型在气动和结构特性上的偏差，提高其在风洞试验中的预测能力。此外，研究团队还发现，缩尺模型的刚度控制策略对于降低误差具有重要作用，尤其是在高缩尺比例的情况下，合理的刚度调整能够显著提高模型的准确性。

本研究的理论框架不仅适用于风力涡轮机叶片的缩尺模型构建，还为其他复合材料壳体结构的相似性研究提供了参考。通过建立一套系统化的相似性准则和误差评估方法，研究人员能够更科学地设计和优化缩尺模型，使其在风洞试验中能够准确反映原结构的动态特性。此外，该框架还为风力涡轮机叶片的颤振机制研究和减缓措施的开发提供了理论支持，有助于推动风力发电技术的进一步发展。

在实验方法方面，研究团队采用了多种技术手段，包括3D打印、复合材料铺层设计以及CFD和CSD模拟。这些技术手段不仅能够提高缩尺模型的制造精度，还能确保其在气动外形和结构特性上与原叶片保持一致。例如，采用3D打印技术可以精确控制模型的几何形状，而复合材料铺层设计则能够模拟原叶片的材料特性。通过这些方法，研究团队能够构建出具有高度相似性的缩尺模型，从而为风洞试验提供可靠的实验基础。

在应用层面，本研究提出的相似性准则和误差评估方法具有广泛的适用性。无论是风力涡轮机叶片，还是其他大型复合材料结构，如飞机机翼、桥梁结构等，都可以借鉴该方法进行缩尺模型的构建和测试。这不仅有助于降低实验成本，还能提高实验的准确性和可重复性，为相关领域的研究提供新的思路和方法。

综上所述，本研究通过理论推导和实验验证，提出了一套适用于超长风力涡轮机叶片的气动-结构相似性准则，并结合刚度控制策略，提高了缩尺模型在风洞试验中的准确性。该研究不仅为风力发电技术的发展提供了重要的理论支持，还为其他大型复合材料结构的相似性研究奠定了基础。未来，随着计算技术和制造工艺的进一步提升，缩尺模型在风洞试验中的应用将更加广泛和深入，为风力涡轮机的设计和优化提供更加精确的实验数据。