一种基于气动弹性变形与动能映射的风电叶片前缘侵蚀评估方法及相关装置与流程

本发明属于风力发电机组叶片状态监测、运维评估与防护设计，具体涉及一种基于气动弹性变形与动能映射的风电叶片前缘侵蚀评估方法及相关装置。

背景技术：

1、为实现降本增效，风电机组持续向大型化、长叶片、高叶尖速比方向发展。随着风轮半径增大，叶片中外侧翼型段的线速度显著提升，同等雨况下雨滴相对撞击速度随之剧增，使叶片前缘在运行过程中极易发生深度的雨水侵蚀（简称雨蚀）损伤。前缘雨蚀一旦发展，将直接引起叶片表面粗糙度上升、气动轮廓破坏与涂层缺陷扩展，从而导致气动升力下降、功率急剧损失、载荷波动增大，并进一步增加运维频次和停机风险。对于海上风电及高降雨区域的大型柔性机组，雨蚀已成为影响叶片寿命与风场全生命周期度电成本的重要约束因素，因此，实现风电叶片前缘侵蚀程度的高保真预测具有重大的工程价值。

2、现有针对叶片前缘雨蚀的研究与工程应用路径大致可分为全尺寸机理仿真模型与工程简化代理模型等方向。基于流固耦合的三维机理模型虽然能够解释雨滴撞击与叶片变形的微观力学过程，但通常需要耗费极其庞大的网格划分、动网格求解与极高的算力资源，且难以跨越微秒级冲击到年尺度累积的多尺度壁垒，工程可实现程度极低。工程上更常用的是基于雨滴动能通量或疲劳力学的代理指标方法，这类方法具有输入简单、计算快、易批处理的优点，但存在一个致命的物理缺陷：它们普遍将叶片等效为“绝对刚体”，并默认雨滴永远撞击在固定的气动驻点上。事实上，现代兆瓦级以上的长叶片具有极强的柔性，在复杂阵风与旋转载荷下会发生剧烈的挥舞弯曲与气动弹性扭转。这种高频的结构动态响应会不断改变叶片局部的真实有效攻角，导致气流驻点在前缘表面发生宽幅游走。传统刚体模型忽略了这一关键的气动弹性变形过程，将无数次雨滴的撞击动能地集中在一个固定点上计算，导致预测出的侵蚀形貌往往呈现极度失真的穿孔深坑，与真实风场退役叶片呈现游走刮擦形貌严重不符。由于局部损伤极值的严重高估，往往误导风电场做出过度保守的停机维修决策。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于气动弹性变形与动能映射的风电叶片前缘侵蚀评估方法及相关装置，解决了现有技术中存在的上述不足，用于初步评估风电叶片前缘受雨水冲蚀的程度，为前缘防护提供技术参考。本发明在保持工程可部署性的前提下，将叶片的瞬态结构振动特征综合纳入前缘有效攻角的计算过程，并以此构建雨滴冲击动能的空间游走映射机制，从而在无需庞大算力仿真的情况下，为风场批量评估、精细化运维决策与定制化防护提供物理机制更保真、可复现且易落地的侵蚀程度预测方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供的一种基于气动弹性变形与动能映射的风电叶片前缘侵蚀评估方法，包括以下步骤：

4、获取待评估风电机组自服役以来的气象与运行序列数据，所述气象与运行序列数据包括当前时间步下的降雨强度、轮毂平均风速、风轮转速、瞬态桨距角，以及任一展向位置处的翼型截面几何坐标点阵、初始预扭角和弦长；

5、计算当前时间步下展向位置处的瞬态挥舞后退速度与弹性扭转角；

6、基于瞬态挥舞后退速度与弹性扭转角，重构当前时间步下的动态有效攻角；

7、基于风轮转速、轮毂平均风速、任一展向位置和瞬态挥舞后退速度，计算雨滴绝对冲击速度；

8、基于雨滴绝对冲击速度和动态有效攻角，计算法向有效水锤压力；

9、基于雨滴绝对冲击速度，构建动能分布权重矩阵；

10、基于时间离散为步长、降雨强度、法向有效水锤压力和动能分布权重矩阵，计算最终的二维累积侵蚀损伤深度；

11、基于二维累积侵蚀损伤深度，计算无量纲的侵蚀深度指标；

12、基于无量纲的侵蚀深度指标判定任一叶片展向位置处前缘受雨水侵蚀的损伤状态。

13、优选地，通过下式计算当前时间步下展向位置处的瞬态挥舞后退速度与弹性扭转角：

14、

15、

16、其中，为瞬态挥舞后退速度；为弹性扭转角；为展向位置；为当前时间步；和均为模态阶数；为第阶挥舞正则化振型函数；为第阶扭转振型函数；和均为广义时间坐标。

17、优选地，基于瞬态挥舞后退速度与弹性扭转角，通过下式重构当前时间步下的动态有效攻角：

18、

19、其中，为当前时间步下的动态有效攻角；为轮毂平均风速；为风轮转速；为瞬态桨距角；为初始预扭角；为瞬态挥舞后退速度；为为弹性扭转角；为展向位置；为当前时间步；为轴向诱导因子；为切向诱导因子。

20、优选地，基于风轮转速、轮毂平均风速、任一展向位置、瞬态挥舞后退速度和滴终端下落速，计算雨滴绝对冲击速度，具体方法是：

21、基于降雨强度，计算当前时间步下的雨滴终端下落速度；

22、基于风轮转速、轮毂平均风速、任一展向位置、瞬态挥舞后退速度和滴终端下落速，将风速、旋转线速度与雨滴下落速度矢量合成，计算得到雨滴绝对冲击速度。

23、优选地，基于雨滴绝对冲击速度和动态有效攻角，计算法向有效水锤压力，具体方法是：

24、基于翼型截面几何坐标点阵和弦长，以几何最前端为原点，建立归一化弦向弧长坐标；

25、基于翼型截面几何坐标点阵和动态有效攻角，计算归一化坐标处的冲击速度矢量与局部表面法向量的真实撞击夹角；

26、基于真是撞击夹角和雨滴绝对冲击速度，结合springer雨蚀模型，计算转化到表面的法向有效水锤压力。

27、优选地，基于雨滴绝对冲击速度，构建动能分布权重矩阵，具体方法是：

28、基于雨滴绝对冲击速度，计算散布标准差；

29、基于弦长和动态有效攻角，计算瞬时气动驻点坐标；

30、基于翼型截面几何坐标点阵和弦长，以几何最前端为原点，建立归一化弦向弧长坐标；

31、基于归一化弦向弧长坐标、瞬时气动驻点坐标和散布标准差，构建得到动能分布权重矩阵。

32、优选地，基于时间离散为步长、降雨强度、法向有效水锤压力和动能分布权重矩阵，结合下式计算最终的二维累积侵蚀损伤深度：

33、

34、其中，为二维累积侵蚀损伤深度；为单颗雨滴体积；为降雨强度；为法向有效水锤压力；为动能分布权重矩阵；为时间离散为步长；分别为涂层材料抗雨蚀常数与疲劳指数。

35、优选地，基于二维累积侵蚀损伤深度，结合下式计算无量纲的侵蚀深度指标：

36、

37、其中，为侵蚀深度指标；为无量纲的侵蚀深度指标；为前缘保护涂层的设计失效物理厚度。

38、第二方面，本发明提供的一种基于气动弹性变形与动能映射的风电叶片前缘侵蚀评估系统，包括：

39、数据获取单元，用以获取待评估风电机组自服役以来的气象与运行序列数据，所述气象与运行序列数据包括当前时间步下的降雨强度、轮毂平均风速、风轮转速、瞬态桨距角，以及任一展向位置处的翼型截面几何坐标点阵、初始预扭角和弦长；

40、动态有效攻角重构单元，用以计算当前时间步下展向位置处的瞬态挥舞后退速度与弹性扭转角；基于瞬态挥舞后退速度与弹性扭转角，重构当前时间步下的动态有效攻角；

41、法向有效水锤压力计算单元，用以基于风轮转速、轮毂平均风速、任一展向位置和瞬态挥舞后退速度，计算雨滴绝对冲击速度；基于雨滴绝对冲击速度和动态有效攻角，计算法向有效水锤压力；

42、权重矩阵构建单元，用以基于雨滴绝对冲击速度，构建动能分布权重矩阵；

43、侵蚀深度指标计算单元，用以基于时间离散为步长、降雨强度、法向有效水锤压力和动能分布权重矩阵，计算最终的二维累积侵蚀损伤深度；

44、基于二维累积侵蚀损伤深度，计算无量纲的侵蚀深度指标；

45、损伤状态判定单元，用以基于无量纲的侵蚀深度指标判定任一叶片展向位置处前缘受雨水侵蚀的损伤状态。

46、第三方面，本发明提供的一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机指令，当所述计算机指令被所述处理器执行时，使得所述电子设备执行所述的方法。

47、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

48、本发明提供的一种基于气动弹性变形与动能映射的风电叶片前缘侵蚀评估方法，以引入气动弹性修正的有效攻角与高斯动能分布矩阵为核心评估代理，仅依赖工程常见可获取的scada运行序列数据、气象数据以及机组基础模态参数，相较于高度依赖庞大算力与复杂流固界面参数的三维动网格多相流仿真模型，本方法计算链路清晰、计算成本极低、可靠且极易在工程终端批量化落地。为风电场海量服役机组的前缘健康度评估、维修决策与全寿命周期管理提供可解释、可复现的降维解析预测方法。本发明打破了传统工程预测模型中“叶片为绝对刚体”及“气动驻点恒定不变”的物理失真假设。所属方法首创性地将叶片瞬态挥舞后退速度对气流的“卸载效应”与弹性扭转角引起的“姿态突变”显式地嵌入有效攻角方程中，使模型在极端阵风及高转速工况下仍能保持高度的流体力学自洽。相比于传统方法将冲击能量集中于单一点位的粗暴计算，本方法通过构建伴随有效攻角高频波动的气动驻点游走机制，并结合斯托克斯数引入空间散布权重，初步还原了真实运行中雨滴撞击能量在前缘表面的动态涂抹效应。这一机制从根本上纠正了现有技术对局部极限侵蚀深度的严重高估，极大地提升了二维侵蚀形貌的预测精度。