摘要

随着现代水平轴风力机的尺寸越来越大，风力机叶片在停摆状态下流体诱发振动问题也越来越受到重视。本文通过数值模拟研究风力机在停摆状态下叶片二维翼型截面的气动性能及涡致振动现象，旨在为大型水平轴风力机的气弹稳定性分析提供计算分析依据。模拟所使用的气动模型为基于势流理论涡型面元法（Vortex-Type Panel Method）建立的双尾流模型（Double Wake Model）；选用的翼型为Du96-w-180。本文的研究主要有以下四部分：

（1）对双尾流模型参数进行测试研究，确定不同参数对模拟结果的影响规律，为模拟计算寻找合适的模型参数。

（2）采用双尾流模型模拟预测翼型在深度失速区的气动性能，预测的攻角范围从60°至120°。最佳的C1-Cd预测曲线中，C1曲线与实验曲线基本一致，Cd曲线与实验曲线差别在10%左右。通过对C1的时间序列进行FFT分析，得到翼型在90°攻角时的斯特劳哈数St=0.1。

（3）在翼型弦向加一个正弦规律变化的振动，通过改变振动的频率与振幅研究翼型表面的气动力与振动之间的“锁定现象”。结果表明，当翼型振动频率与涡脱频率接近时，翼型从流体中吸收的能量增大；与此同时，升力系数C1与振动位移x之间相互耦合，出现“锁定现象”。随着振动幅度的增大，锁定程度加深，锁定区变宽。最后，发现“锁定现象”与振动之间为正反馈关系，分析认为这是导致涡致振动出现的主要原因之一。

（4）在双尾流模型的基础上耦合一个三自由度的弹性模型，研究翼型在非定常气动力作用下的自由振动响应。忽略结构阻尼情况下，当挥舞方向（Edgewise）的自然频率与翼型涡脱频率相等时，挥舞振动随时间不断加剧，发生共振；当自然频率与涡脱频率远离时，振动逐渐减弱。考虑结构阻尼的模拟中得到了不同阻尼系数下的振动响应，发现振动随阻尼系数的增大而减弱。

总之，本文使用双尾流模型模拟预测了翼型Du96-w-180在深度失速区的气动性能，得到了翼型振动时的“锁定现象”并探讨了涡致振动的产生机理，并初步研究了弹性支撑翼型在非定常气动力作用下的自由振动响应情况。

关键词：双尾流模型；停摆风力机；二维数值模拟；气弹耦合；锁定现象；涡致振动