基于双向流固耦合的不同自由度下无叶片风力机发电效率研究

来源：振动与冲击杂志2025年第12期北京时间：

作者：魏宏伟, 刘衎liug, , , 魏克勤, 贾娅娅, , , 刘庆宽, ,

单位：1.石家庄铁道大学 土木工程学院，石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点试验室，石家庄 050043；3.河北省风工程和风能利用工程技术创新中心，石家庄 050043

摘要：本文建立了无叶片风力机的简化模型，并推导了其发电效率计算公式。采用计算流体力学软件Fluent及用户自定义函数(UDF)进行数值模拟，研究了不同折减风速下单自由度和双自由度无叶片风力机的涡激振动特性及发电效率。研究表明，风力机自由度的差异显著影响其振动响应、气动力特性及发电效率。振动幅值随着折减风速的增加呈现先增大后减小的趋势，并在某些风速区间保持平稳。双自由度风力机在折减风速下的振动轨迹主要为“8”字型，当风速接近固有频率时，表现为多频振动，轨迹趋于混乱。发电效率随折减风速变化呈现先增大后减小的趋势，其中双自由度风力机的效率高于单自由度风力机。在折减风速Ur=2.4时，单自由度风力机的最大发电效率为25.19%；在Ur=3.4时，双自由度风力机的最大发电效率为57.14%。发电效率受来流风速、振动速度及升阻力系数的综合影响。随着自由度和折减风速的变化，风力机的尾流旋涡脱落模式也有所变化。三维无叶片风力机在展向不同高度的旋涡脱落模式与二维风力机相似，但由于周围流场存在较小的旋涡，能量损失较大，导致其发电效率略低于二维无叶片风力机。<br>

关键词：无叶片风力机；涡激振动；自由度；发电效率；折减风速