运行于外场环境中的风电机组,由于受到大气湍流、风切变、阵风、塔影效应及调节滞后的影响,其功率呈现强烈的波动特性,而风轮作为风电机组的能量转化部件,其非定常气动特性将直接影响风电机组的功率波动。目前,研究风轮非定常气动特性的方法主要有理论研究、实验研究和数值仿真,其中理论研究受到诸多假设和修正模型的限制,风洞实验因为难以完全准确重构外场风况和相似理论的限制,都不能精准地反映外场环境中风轮的气动特性。故本文采用数值模拟和外场实验两种方法研究水平轴风力机叶片表面压力分布特性,分析叶片气动力对外场风况的敏感性,研究叶片非定常特性的演变机理。主要研究内容如下:1.基于“973”项目支持,研究外场环境中风力机来流、尾流及气动特性一体化综合测量方法,并于甘肃景泰搭建风力机外场实验平台。2.在均匀来流条件下,采用k-ωSST模型,(1)数值研究叶尖翼型和叶根翼型的非定常气动力分布特性,并分析其形成机理。研究表明,叶尖翼型表面较大的粗糙度和增大的尾缘厚度联合诱导的旋涡结构,使其升阻力系数呈现周期性变化;叶根翼型由于大攻角(11.273°)运行和增大的尾缘厚度联合作用,流场出现了大尺度旋涡结构,导致气动力出现非定常变化且变化幅度远大于叶尖翼型。(2)数值研究旋转风轮的流场结构和气动力分布,分析风力机叶片的压力分布、失速特性及偏航运行特性。结果表明,叶片吸力面前缘压力对来流风速和方位角的变化较敏感。3.采用AR线型过滤法和大涡模拟(LES)相结合的方法,重构了具有剪切特性和脉动特性的湍流风场,进而研究了翼型及风轮的非定常气动特性。结果表明,(1)根据压力概率分布特性,翼型表面可分为高斯分布区和非高斯分布区,非高斯分布区出现在翼型吸力面前缘。压力的频谱特性在低频段差异较大,而在高频段几乎重合,说明湍流风场中翼型的非定常气动力主要源自来流中的低频大尺度旋涡。(2)湍流风场中风轮的功率和推力的功率谱特性出现明显的峰值,且谱峰值随频率的增大而减小,峰值对应频率与叶片通过频率的整数倍相一致。4.利用搭建的风力机外场实验平台,测量偏航工况下叶片不同展向翼型的压力分布特性。在此基础上,(1)通过均值、标准差、偏度、峰度及概率分布等统计量,对比分析7个断面翼型压力的离散情况、偏斜幅度、陡缓程度及非高斯特性,研究不同展向翼型压力对外场风况的敏感性,结果表明前缘对外场风况最敏感。(2)研究各翼型升阻力的动态变化规律并与CFD仿真结果作对比,研究叶片三维旋转效应对升阻力的影响规律,分析外场环境中旋转叶片的失速延迟、叶尖翼端效应及动态特性。(3)研究了偏航工况下,压力系数脉动值随方位角的变化规律,发现吸力面前缘都出现了山脊状的低压区,说明叶片偏航运行时,各翼型所呈现的变速变攻角耦合的运行特性。5.对各翼型的压力脉动数据进行FFT变换,分析压力功率谱峰值沿弦向变化规律、幅值与频率之间的关系,研究水平轴风力机叶片表面各点脉动压力的脉动源。结果表明,(1)在1倍风轮转频时,所有压力功率谱都出现峰值且前缘峰值最高,随着展向逐渐靠近叶根,翼型后缘压力的功率谱峰值逐渐增大。说明叶片旋转过程中,压力脉动主要源于叶片所受风剪切、偏航运行等与转速相关量的作用。(2)中频功率谱的斜率符合指数为-5/3的Kolmogorov功率定律,表明风力机叶片绕流特性呈现能量包含区、惯性子区及耗散区。(3)翼型升阻力的功率谱在1倍和2倍风轮转频时出现峰值,且升力系数的峰值要远大于阻力系数,表明翼型升阻力系数以风轮转频为倍数出现了周期性变化。