风力机柔性叶片的材料优化
应用物理
2020-01-27 v1 流体动力学
摘要
受生物启发的柔性叶片近来被证明可显著拓宽水平轴风力机的工作范围并提高效率，从而提升其适应性。气动与离心力使叶片沿弦向弯曲，通过无耗能机构改变桨距角。本文引入一种基于普适标度的通用方法，可为任意所需几何形状的传统水平轴风力机找到叶片的最优软材料，以最大化整体风力机效率或旋转功率。该优化问题依赖于风速、转速、叶片密度、刚度与几何形状等多种参数，被化简为仅两个无量纲参数：柯西数与离心数。叶片元动量理论耦合基于扭转弹簧的叶片变形模型。考虑北海实际来流风速分布与大型风力机几何，我们发现总捕获功率显著提升，高达+35%。此外，在叶片小变形限度内，给定风力机几何下整个工作范围最大效率对应的最优软材料与尺度无关。因此小型风力机实验可成为确定大型风力机最优软材料的可能途径。这些柔性叶片被发现比现有刚性叶片轻5%至20%。
引用
@article{arxiv.2001.09072,
title = {Material optimization of flexible blades for wind turbines},
author = {Vincent Cognet and Sylvain Courrech du Pont and Benjamin Thiria},
journal= {arXiv preprint arXiv:2001.09072},
year = {2020}
}
备注
15 pages, 9 figures