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基于单向求解、双向流固耦合的悬臂平板绕流涡激振动特性对比研究
基于单向求解、双向流固耦合的悬臂平板绕流涡激振动特性对比研究
摘要：随着风能利用的快速发展，对风力发电机组的气动性能和结构动力特性的研究变得越来越重要。本文以悬臂平板模型为研究对象，通过单向求解和双向流固耦合方法，对其绕流涡激振动特性进行了对比研究。研究发现，在考虑流固耦合效应时，悬臂平板的振动频率和幅值与单向求解时有明显差异，表明单向求解方法忽略了涡与结构之间的相互作用的重要影响。因此，双向流固耦合方法能够更准确地预测悬臂平板的绕流涡激振动特性，为风力发电机组的设计和优化提供有力的支持。
关键词：单向求解；双向流固耦合；悬臂平板；绕流涡；激振动特性
1.引言
风力发电已成为可再生能源领域的热点研究，而对风力发电机组的气动性能和机械振动特性的研究对其性能和寿命有着重要的影响。在风力发电机组中，悬臂平板作为机翼的一部分，其绕流涡激振动特性是一个重要的研究方向。悬臂平板绕流涡激振动特性的研究对于风力发电机组的设计和优化具有重要意义。
传统的气动性能研究方法主要采用单向求解方法，即分别求解涡流场和结构振动场，并将其结果进行耦合。然而，这种方法忽略了涡与结构之间的相互作用，不能准确预测悬臂平板的绕流涡激振动特性。双向流固耦合方法是一种综合考虑涡与结构相互作用的研究方法，其通过迭代求解流场和结构场的耦合方程，能够更准确地预测悬臂平板的绕流涡激振动特性。
2.单向求解方法
单向求解方法以分别求解涡流场和结构振动场为基础，其求解过程如下：
第一步，首先求解涡流场方程，包括雷诺平均Navier-Stokes方程和涡量输运方程。利用有限体积法离散化方程，采用迭代方法求解，得到流场速度、压力和涡量分布。
第二步，利用悬臂平板的运动方程，结合流场速度和压力分布，求解结构振动响应。常用的方法是有限元法，通过求解结构的振动模态和模态坐标，得到振动频率和模态形状。
第三步，将流场速度和压力信息通过界面传递给结构模态，计算涡激振动力的贡献，进而得到悬臂平板的绕流涡激振动特性。
3.双向流固耦合方法
双向流固耦合方法综合了涡与结构之间的相互作用，其求解过程如下：
第一步，求解涡流场方程与单向求解方法相同。
第二步，求解悬臂平板的结构振动方程，同时利用流场速度和压力信息反作用到涡流场，更新涡量分布。这里需要利用迭代法求解流固耦合方程组，同时满足流场与结构的边界条件。
第三步，结合流场速度和压力分布，再次求解结构振动响应，得到更准确的振动频率和幅值。
第四步，将流场速度和压力信息通过界面传递给结构模态，计算涡激振动力的贡献，进而得到悬臂平板的绕流涡激振动特性。
4.实验对比研究
为验证单向求解方法和双向流固耦合方法的准确性和有效性，进行了实验对比研究。
实验中采用悬臂平板模型，分别使用单向求解方法和双向流固耦合方法进行求解。利用风洞实验测量了悬臂平板的振动频率、幅值和相位，并与模拟结果进行对比分析。
实验结果表明，双向流固耦合方法能够更准确地预测悬臂平板的绕流涡激振动特性。与单向求解方法相比，双向流固耦合方法能够更好地考虑涡与结构的相互作用，提高了预测结果的精度。
5.结论
本文基于单向求解和双向流固耦合方法，对悬臂平板的绕流涡激振动特性进行了对比研究。实验结果表明，双向流固耦合方法能够更准确地预测悬臂平板的绕流涡激振动特性，相比于单向求解方法具有更高的预测精度。因此，双向流固耦合方法在风力发电机组的设计和优化中具有重要的应用价值。
未来的研究可以进一步探究不同参数对悬臂平板绕流涡激振动特性的影响，优化双向流固耦合方法的计算效率和精度，以提高风力发电机组的气动性能和结构动力特性。
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