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重庆大学开展了台风作用下风力机气动荷载与动力响应的攻关研究，兼顾计算精度与速度，从台风风场生成、气动荷载计算、动力响应输出三方面分别形成高效计算方法。 （1） 台风风场生成 台风在风眼、眼壁区和外围区风速各异，整个生命周期内表现出明显的非平稳性，与通常的大气边界层强风具有不同的风场特性，因此需采用不同的风速生成方法。目前常用指数律模拟台风风剖面，但仅在200m高度范围内有效，随着风力机大型化发展，适应高度更高的风剖面模型应被提出。考虑台风竖向对流作用，尤其是在风力最为强劲和破坏力最大的眼壁区，基于纳维-斯托克斯方程和质量守恒方程构建台风三维风速场，通过程序编写求解偏微分方程，实现台风风场内任意位置处的边界层全高度范围内平均风速的高效计算。耦合所求解的台风平均风剖面和脉动风速经验谱模型，基于谐波叠加法快速生成台风区域内多点脉动风速时程。 （2） 气动荷载计算 准确的气动荷载计算是精确求解风力机动力响应的先决条件。现有风力机计算软件均假设为叶片和塔筒为线状细长结构，依据二维叶片翼型和塔筒截面分别计算其气动力。虽然在风力机运行工况中，采用一些经验模型修正三维绕流效应的影响，但是在极端强风下的停机工况，仍旧采用二维计算理论，且忽略叶片-塔筒干扰效应对气动荷载的影响，造成强风下风力机荷载计算不准确。基于准确评估气动荷载的需求，提出采用风洞处测压试验技术获取考虑叶片-塔筒干扰和三维绕流效应的气动力系数，并相应提出风力机缩尺模型的设计方法以降低实验低风速下的雷诺数效应。 （3） 动力响应输出 动力响应是风力机设计的基础和依据。是否能够快速计算风力机在不同工况下的动力响应是风力机设计优化的重要前提。虽然采用有限元方法可精确计算风力机各部分变形与应力，但耗费计算资源较大，无法实现多设计方案计算。鉴于快速响应计算要求，基于耦合多体动力学和模态叠加法建立了风力机一体化设计软件，考虑了叶片一阶挥舞和摆振模态，二阶挥舞和摆振模态，以及塔筒一阶顺向和侧向模态，二阶顺向和侧向模型，可快速分析考虑偏航和变桨失效不利工况的风力机动力响应，高效准确求解台风下风力机的极值响应。

（1）目前所用台风风场多采用指数律剖面，不匹配风力机大型化发展，本项目利用少量台风特征参数（如中心气压，中心纬度，移动速度和方向等），耦合纳维-斯托克斯方程和质量守恒方程，建立了考虑竖向对流作用的台风三维风场，更准确再现台风特异的超梯度风现象，且高效计算台风多阶段、全高度的三维平均风速场；耦合平均风场模型和脉动风速经验谱模型，基于谐波叠加法快速生成台风区域内多点脉动风速时程。

（2）现有软件针对强风作用下风力机气动荷载，采用简便的二维计算理论，且缺乏叶片-塔筒干扰效应修正。为了揭示风力机停机工况下真实气动荷载的分布规律，提出采用风洞处测压试验技术获取考虑叶片-塔筒干扰和三维绕流效应的气动力系数，并相应提出风力机缩尺模型的设计方法以降低实验低风速下的雷诺数效应。

（3）动力响应是风力机设计的基础和依据，而风力机一体化建模是实现风力机优化设计的重要前提。为了避免有限元软件计算响应的耗时长缺点，基于多体动力学和模态叠加法建立了风力机一体化设计软件，考虑了叶片和塔筒的一、二阶模态，可快速分析考虑偏航和变桨失效不利工况的风力机动力响应，高效准确求解台风下风力机的最不利极值响应。

（1）基于所提出的台风三维风场模型，可快速准确复现任意一场台风多阶段、全高度的风速场，耦合脉动风速经验谱模型后可基于谐波叠加法快速生成台风区域内多点脉动风速时程，并作为风力机响应计算的风场数据。此外，通过耦合台风三维风场模型和蒙特卡洛模拟随机模拟方法，并基于台风特征参数的历史统计分布规律，可便捷计算出中国东南沿海地区重现期内台风风剖面和设计风速，为沿海和海上风力机的抗台风设计提供重要依据。

（2）基于提出的风力机缩尺模型设计方法，可以降低实验低风速下的雷诺数效应，有利于在风洞试验中测得真实合理的风力机气动荷载，作为动力响应计算的输入数据。此外，由风洞试验得到的气动力系数，综合考虑了叶片-塔筒干扰作用和三维绕流效应，避免了进一步利用经验模型修正引起的不正确性，提高了风力机气动荷载的计算准确性。

（3）基于多体动力学和模态叠加法建立了风力机一体化设计软件，避免有限元方法所需过多计算时长的缺点，快速且准确地计算风力机在不同工况下的动力响应。为风力机叶片和塔筒方案最优化以及最不利工况下极值响应搜寻提供便利。

重庆大学风电研究团队依托重庆大学土木工程国家“双一流”建设学科和风工程及风资源利用重庆市重点实验室，由中国工程院院士周绪红教授、中国工程院外籍院士田村幸雄教授、长江学者国家杰青杨庆山教授、国家级青年人才黄国庆教授、王宇航教授、陈波教授等为科研骨干成员开展研究。实验室拥有直流式风洞实验室、HPC高性能集群计算系统等硬件设施，可开展大规模风能实验和模拟研究。在建大型回流式多功能风洞实验室可开展风、浪、流、龙卷风、下击暴流、冲刷等多灾害耦合作用下的风电结构试验。近年来，研究团队成员以第一完成人获得国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，省部级科技进步一等奖5项，囊括了国际风工程三大奖项（风工程学会Davenport奖1人次、美国土木工程师学会Scanlan奖1人次、美国土木工程师学会Cermak奖2人次），发表SCI/EI论文800余篇，授权专利30余项，出版学术专著4部，主编规程规范6部。

该成果为风能利用领域提供了先进的研究工具和方法，已被应用于多个实际风电工程，对台风下风力机响应分析精度提高5%以上，产生的年收益约为1000万元。

技术服务、委托可发为本技术的主要转化方式，已通过技术服务和委托开发将研发的台风下风力机响应分析方法应用于实际风电工程中，有效提升了风力机的安全性能。未来可尝试更多有利于推广和应用本项目成果的合作方式，可考虑与潜在合作伙伴进行技术入股，分享并共同发展这一先进技术，推动技术不断升级，并通过与其他研究机构、企业展开技术合作，共享资源、经验和知识，实现互补优势，共同攻克技术难题，推动研究成果更广泛地应用于实际工程。