文章导读

风能利用中的空气动力学研究进展Ⅰ：风力机气动特性(1-21，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0114)

王同光，田琳琳，钟伟，王珑，朱呈勇

大型化、海洋化、智能化和数字化是风电发展的大趋势。鉴于此，风力机空气动力学研究作为风力机技术研发的首要任务，将面临一系列新问题和挑战。本文以水平轴风力机为研究对象，首先分析风力机空气动力学问题的复杂性及原因；之后，针对风力机专用翼型的气动特性、风力机气动特性、现代化风力机设计与流动控制等经典气动问题，就其研究现状及取得的关键进展进行综述和讨论，并对今后的研究方向进行分析与展望。

风能利用中的空气动力学研究进展Ⅱ：入流和尾流特性(22-50，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0390)

王同光，田琳琳，钟伟，王珑，朱呈勇

针对风能技术发展趋势及亟需解决的问题，选取大气边界层、风力机尾流、风电场混合尾流等典型气动问题为论述重点，从外场测量、风洞实验、理论分析、数值模拟、工程建模和人工智能等研究方法着手，梳理其中涉及的关键空气动力学问题、特殊物理现象及取得的重要研究进展，并结合我国国情探讨风电发展面临的空气动力学难题及总结相关解决策略，以期为风电的行业规划、技术发展和工程实施提供重要参考。

水平轴风力机主动尾流控制综述(51-68，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0249)

宗豪华，孙恩博

对于大型风电场，由尾流干扰引起的产能损失最高可达30%～40%。主动尾流控制技术（AWC）通过上游风力机偏航来诱导尾流侧向偏转，以期减弱对后排风力机的尾流干扰从而增加风电场总产能。本文从风力机尾流扩张模型、偏转模型、叠加方法和风电场产能优化四个角度，综述了AWC技术研究进展，并对该技术走向工程应用所亟需解决的问题进行了展望。

超声速飞行器声爆飞行试验与声爆预测评估(69-80，Doi：10.7638/kqdlxxb-2022.0018)

瞿丽霞，韩硕，宋亚辉，徐悦，张跃林

发展了地空一体化的基于传感器阵列的地面声爆测量技术，开展了国内首次超声速飞机声爆专项测试飞行试验，采集了多组真实大气条件下的声爆实测数据，验证了飞行试验方案的合理性。在飞行航迹正下方测得的声爆波形具有显著相关性，声爆信号头激波峰值相对误差在18%左右，尾激波峰值相对误差在8%左右，声爆持续时间均为0.1 s。飞行器从测量阵列正上方飞过时，地面声爆实测数据与数值预测得到的声爆信号基本形态一致、持续时间较接近，声爆信号头激波、机翼前缘激波峰值相对误差小于5%。

基于壁面压力谱方法的风力机气动噪声模型(81-89，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0102)

朱卫军，刘宇新，孙振业，石亚丽

壁面压力谱方法是基于Aimet噪声理论提出的翼型尾缘噪声预测模型，本文通过研究不同壁面压力谱模型提出了一种风力机噪声预测模型。首先采用Goody、Rozenberg、Kamruzzaman、Lee、Hu这五种不同的壁面压力谱模型，对NACA0012和NACA64-618翼型进行噪声预测，并与实验数据比较。其次，在翼型尾缘边界层噪声建模的基础上，结合风力机叶素-动量理论提出了一种风力机气动噪声预测模型，并与Bonus Combi 300 kW风力机的气动噪声实验数据进行对比，验证了当前模型的有效性。

一种采用双弯管储气段布局的高超声速Ludwieg管设计(90-100，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0189)

赵家权，司马学昊，黄冉冉，熊有德，余涛，吴杰

本文介绍了华中科技大学Φ 0.25 m马赫数6高超声速Ludwieg管风洞的气动设计，并重点研究了双弯管储气段布局的高超声速Ludwieg管风洞非定常启动过程以及弯管储气段布局对管风洞流场的影响。研究结果表明，在合理设计Ludwieg管弯管与储气段直径比的前提下，膨胀波系在储气段的行进会产生约0.04%的总压波动，但其对风洞试验段内流场的影响可以忽略不计。

高超声速逆向喷流数值模拟和风洞试验(101-109，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0240)

董昊，张旭东，刘是成，程克明，赵炜

为探索逆向喷流流动控制技术对高超声速飞行器降热的影响规律及相关机理，对半球体钝体模型进行了数值模拟和风洞试验。研究结果表明：逆向喷流产生的降热效果是喷流气体回流和喷流推离头部脱体激波共同作用的结果；相同来流马赫数下，逆向喷流降热效果随喷流压比的增大而更加明显；相近喷流压比条件下，来流马赫数越大，逆向喷流降热效果越好。

随机算法改进的RCSA-ANN模型及近海短期风速预测(110-116，Doi：10.7638/kqdlxxb-2020.0172)

张建平，于新建，陈栋，纪海鹏

为了提高近海短期风速的预测精度，提出了一种基于随机布谷鸟搜索算法（RCSA）和人工神经网络（ANN）的模型。首先基于引入随机因子改进布谷鸟搜索算法提出了RCSA-ANN模型，然后采用实测近海气象数据进行模型训练，最后通过与多个模型对比分析验证了此模型的精度。结果表明：改进后的模型简单高效且精度高，能对较为波动的风速序列实现准确预测。

基于不确定度和气动模型的气动数据融合算法(117-123，Doi：10.7638/kqdlxxb-2020.0151)

邓晨，陈功，王文正，孔轶男

本文提出并实现了两种数据融合算法，一种是依据不确定度作为权值参考进行加权融合的加权融合算法；另一种是基于模型的Cokriging融合算法。相比于单源数据模型，两种融合算法预测结果的精度都有较大的提高；相比于基于不确定度的融合算法，使用Cokriging算法建模得到的结果精度更高；融合结果可以对参数空间内的高精度数据进行內填补充，同时对参数空间外高精度数据的变化趋势预测提供参考。

考虑化学非平衡效应的高温湍流边界层统计特性分析(124-131，Doi：10.7638/kqdlxxb-2020.0178)

刘朋欣，李辰，孙东，傅亚陆，袁先旭

新型高超声速飞行器会面临湍流与高温化学非平衡效应耦合作用的复杂流动环境。DNS表明，在高温化学非平衡湍流边界层中，弱可压缩假设仍然成立。采用无量纲恢复焓建立与速度之间的关系式，可以消除马赫数、化学反应等因素的影响。GHSRA可以较好地描述温度脉动与速度脉动之间的关系。且采用半当地尺度归一化时，不同工况下湍动能输运方程各项的分布能够较好地符合。化学非平衡效应及高马赫数效应引起的可压缩效应有限。

CAE-AVM标模巡航构型的设计和数据库应用(133-147，Doi：10.7638/kqdlxxb-2022.0012)

华俊，钟敏，郑遂，王钢林，王浩，白俊强

面对现代CFD方法和风洞精细化试验技术的发展和验证需求、CFD风洞数据相关性研究以及新型远程飞机设计能力建设等需求，相应气动标模的研发日益得到关注。本文详细介绍了设计马赫数为0.85的民机标模CAE-AVM巡航构型及其原准机的总体布局和气动设计过程，其中包含远程商务飞机和该速域下气动标模的设计特点分析、基于CFD的设计和优化方法、气动标模风洞试验的特别要求和解决方案、CFD与风洞数据的对比验证、CAE-AVM标模数据库建设和典型应用案例，表明了共用标模的必要性和适用性。

CAE-AVM模型巡航构型风洞试验(148-157，Doi：10.7638/kqdlxxb-2022.0015)

王浩，华俊，钟敏

基于先进民机对更高巡航马赫数和气动效率的需求，开发了巡航马赫数为0.85的CAE-AVM模型，在德荷风洞开展了马赫数0.2～0.9、雷诺数最高为4.7×106的两期高速风洞试验。相较于固定转捩，自然转捩试验中模型最小阻力系数小于0.0023，巡航状态机翼翼尖扭转角变形量约为−0.95°。精细化风洞试验中有必要开展红外观测、变形与测力/测压的同步测量，并在试验前开展考虑支撑和变形的仿真研究。CAE-AVM模型5年跨度的风洞试验结果重复性良好，能够在较宽的马赫数范围保持稳定的气动特性，可以满足未来先进民机空气动力学验证模型的需求。

民机标模高升力构型CAE-AVM-HL设计及验证(158-167，Doi：10.7638/kqdlxxb-2022.0021)

钟敏，华俊，王浩，白俊强

民机气动标模高升力构型CAE-AVM-HL可用于起降状态复杂流动机理研究、CFD软件验证、低速风洞试验能力建设及增升系统噪声测试。设计过程中采用基于代理模型的数值优化方法，机翼增升装置形式为“前缘连续变弯下垂+前缘缝翼+后缘单缝富勒襟翼”。风洞模型在德国Deharde公司完成加工，在德荷大型低速风洞DNW-LLF完成风洞测试。针对前缘变弯下垂和前缘缝翼交界处的流动干扰现象，提出了抗流动分离的设计方案。该构型最终测得的最大升力系数为2.56，失速迎角为19°，满足设计要求。

基于风洞试验15 MW风力机叶片颤振后形态与能量图谱研究(169-180，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0417)

柯世堂，陆曼曼，吴鸿鑫，高沐恩，田文鑫，王浩，王硕

现有风力机叶片颤振分析大多关注颤振临界状态预测，忽略了非线性更为显著的颤振后形态和能量耗散。本文基于变分渐进梁截面法设计了新型超长柔性叶片气动-刚度-质量映射一体化三维弹性模型，并采用高速摄像技术和高频六分量天平同步进行了测振、测力风洞试验。分析了风力机叶片颤振敏感风向区间与临界风速组合规律，最后基于叶尖风振响应、气动阻尼和能量，系统研究了风振敏感工况风振响应下风力机叶片能量演变规律和颤振后形态特性，揭示了风力机叶片颤振后能量耗散机制。

偏航失效时海上风力机不同停机位置下响应特性(181-190，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0438)

杨庆山，赵聪杰，黄国庆，周绪红，顾水涛，蒋博闻

为研究海上风机在偏航失效工况下的响应特性，以5 MW导管架式海上风机为研究对象，通过计算偏航失效时不同停机位置下风机结构的动力响应,分析了风机叶片、塔筒及下部结构响应随偏航角的变化规律以及停机位置对响应结果的影响。研究表明：偏航失效时，偏航角的大小和叶片停机位置对风机结构响应影响显著；部分偏航角下风机叶片甚至出现气弹失稳现象；综合整个偏航范围来看，采用空转策略或者叶片方位角处于90°停机位置的停摆策略时，风机结构各部分响应值相对较小，应对偏航失效状态最有利。

海上浮式风机的一体化建模及其整体可靠性(191-202，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0405)

陈建兵，宋玉鹏

浮式风机结构的整体可靠性分析是保障其经济性与安全性、进行大规模深远海风能开发的关键。为此，首先介绍结合多体动力学理论与有限元方法建立起来的浮式风机一体化动力学模型。进而，基于我国南海长期风浪数据，采用Copula方法建立风-浪多参数非线性相关的联合概率分布模型，以合理考虑风浪联合作用。在此基础上，引入概率密度演化理论，实现浮式风机结构的整体可靠性高效分析。最后，采用上述方法进行了极端风剪工况下海上单柱式浮式风机结构的整体可靠度分析。

基于致动线方法的5 MW海上风力机气动弹性分析(203-209，Doi：10.7638/kqdlxxb-2022.0048)

冷峻，郜志腾，郑小波，李晔

随着风力机功率的不断增大以及新型复合材料的应用，叶片的几何非线性变形成为设计中不可忽略的因素，结构和气动弹性的分析也随之变得更加复杂，传统的叶片分析方法不再适用。本文基于柔性多体动力学、致动线方法和大涡模拟，建立了一种新型双向流固耦合分析方法，考虑了结构和气弹对于风力机性能的影响，可用于动态结构载荷预测和流固耦合分析，并讨论5 MW基准风力机进行建模，讨论了叶片的瞬时结构响应，分析了叶片变形对风力机功率、尾迹的影响。研究结果表明，叶片的柔性在风力机气弹设计中不可忽略。

考虑尾流效应的风力机组输出功率和疲劳性能模拟(210-219，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0324)

张建，左浩然，元国凯，朱松晔

上游风力机旋转引起的尾流效应会对下游风力机的输出功率和疲劳寿命产生显著的影响。本文选用美国NREL实验室的FAST.Farm程序，基于准稳态条件下雷诺平均N-S方程的薄剪力层近似解，研究了不同布局情况下处于尾流场风力机的功率特性和疲劳性能。结果表明，水平面内不同布局情况下，处于尾流场中的风力机叶片的疲劳性能有所改善，但在（X = 4.0D，Y =0D）位置处疲劳寿命仍出现明显缩短；塔底疲劳寿命在水平面内不同位置（除Y = 1.5D平面）存在不同程度的衰减。

百米级大柔性风电叶片非线性气弹响应分析(220-230，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0321)

钱晓航，郜志腾，王同光，王珑，柯世堂

随着风电叶片迈入百米量级，叶片尺寸持续增大，几何非线性对叶片结构的影响更加明显。采用几何精确梁理论，耦合BEM理论，建立了叶片气弹分析方法，通过悬臂梁算例验证了非线性模型的准确性。并以5 MW与15 MW风力机组为例，分别采用线性和非线性方法计算了2组叶片的动态响应。从5 MW到15 MW叶片，由于几何非线性效应引起的叶尖挥舞位移和叶根挥舞弯矩数值偏差分别增加21.35%和21.23%。研究表明，百米级叶片非线性效应对叶片动态响应影响较大，应充分考虑非线性气弹对叶片设计的影响。

浮式风力机运动形式对尾迹大尺度运动的影响(231-239，Doi：10.7638/kqdlxxb-2022.0057)

李曌斌，董国丹，秦建华，周志登，杨晓雷

通过线性稳定性理论和大涡模拟方法，分析了浮式风力机纵荡、横荡和艏摇三种简谐运动对尾迹演化的作用。稳定性分析表明，斯特哈劳尔数（St）在0.3附近的扰动最易引发尾迹失稳。大涡模拟发现：当St = 0.3时，纵荡运动引起尾迹轮廓的交替收张，而横荡、艏摇运动导致尾迹侧向蜿蜒，可对下游风力机施加较大的交变载荷；而St = 0.1和St = 1.0的各形式运动均未引起尾迹的明显波动，对下游风力机动态载荷影响较小；研究结论与稳定性分析结论一致。

浮体平台运动对浮式风电机组气动特性影响风洞试验(240-246，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0336)

王新宝，李庆安，蔡畅，王泽坤，王腾渊，陈晔雯，杨英健

针对浮式风电机组气动-水动-伺服-弹性多体多场耦合机制下的复杂气动性能，进行了浮体平台运动下浮式风电模型机组的气动特性风洞实验研究。通过六自由度平台控制模型机组，揭示了平台纵摇运动对机组气动特性的影响规律。在静态倾斜测试中，功率系数随着纵摇角度的增大而减小，俯仰力矩、偏航力矩系数随着纵摇角度的增大而增大。动态测试的结果表明，纵摇状态下的力矩系数存在迟滞效应，且随着振幅的增大，迟滞效应明显增强。

阵风工况下多台风力机尾流效应的非定常特性(247-255，Doi：10.7638/kqdlxxb-2021.0309)

曹九发，宋佺珉，王超群，朱卫军，柯世堂

风力机实际运行的入流工况复杂，使得风电场中风力机间的尾流效应出现高度的非定常特性。本文基于LES/AL方法，开展了多台风力机在阵风工况下的数值模拟研究，揭示了尾流中阵风涡系的发展演变规律，获得了非定常尾流效应和干扰特性，同时进行阵风工况下的风力机气动载荷特性分析，研究结果对风电场布局和风力机载荷强度设计具有指导意义。