哈尔滨工业大学（深圳）绿色低碳能源创新技术研究所

红花岭实验室介绍

绿能所实验室位于深圳市南山区留仙大道1195号匠造数字产业园一楼114号，主要用于开展风能利用与相关领域涉及的新理论、新技术、新产品以及相关科研与工程项目中物理实验与小型示范等方面工作，此外，实验室研究业务也涉及太阳能应用与基础理论研究，“风-光-氢-电”多能互补综合能源利用机理研究和模拟示范，新能源数字化平台建设、模拟和仿真，以及无人飞行器等相关研究工作。实验室主要用于科研项目申请、试验、创新教学等工作。

自2023年初投入使用以来，先后完成了实验室内部装修、各实验区的划分及运行、实验设备采购、实验室内部规划及相关家具和日用电器购置。主要设备介绍如下。

一、风洞实验室

风洞实验室，主要实验平台包括双试验段低速回流风洞一座以及相关风洞洞体控制系统、实验测量系统、小型风力机模型和调控系统等设备集群。可实现风力机叶片翼型与叶片、无人机翼型与整机等速度场、压力场、气动力场和声场研究、风电场尾流效应研究，以及风力机整机协调控制机理等研究。风洞及配套实验平台在下述研究领域中发挥关键作用：

1） 流体与结构相互作用：包括气动弹性稳定性、涡致振动、颤振、弛振等不同研究方向；

2） 流动控制：包括湍流减阻机理、主动减阻技术和被动减阻技术等多项研究内容；

3） 微流动、湍流精细测量与理论方法验证；

4） 流动的自动化测量及其应用：主要包括条件控制PIV及高速摄影采样、复杂流动的机理及细节等研究方向；

5） 风电叶片、整机，飞行器等气动-结构-声场耦合作用机理与调控。

1. 双试验段低速回流风洞

实验室风洞为双试验段低速回流式，整体气动轮廓尺寸为4.9m×2.5m×15.2m（宽×高×长），两试验段尺寸分别为：第一试验段尺寸1.5m×1.5m×2.0m(宽×高×长)，第二试验段尺寸0.8m×0.8m×2.15m(宽×高×长)，洞体内最大风速可达70m/s，湍流度可达0.2%以下。风洞主要用于风力机翼型、叶片模型，以及无人飞行器气动-结构耦合机理研究，例如行动/静态模型的测压、测力和流场测量实验等，同时，也可满足风电场模拟实验需求及风力机运行机理研究等。图1为风洞的气动轮廓外形，图2为风洞实物图。

图1 双试验段低速回流式风洞气动轮廓外形图

图2 双试验段低速回流风洞实物图

2. 配套实验设备

在风洞基础上，实验室构建了相配套的系列实验设备，面向所内现有的各个研究方向，基于理论分析过程开展实验研究。图3展示了部分风电配套的实验设备，配套设备及其大致信息包括：

a) 风力机模型传动链及发电机系统           b) NI数据采集系统

c) 粒子图像测速仪                  d) 三维坐标系统

e) 热线测速仪                    f) 示波器、放大器

g）压力扫描阀                               h）激光雷达

图3 风电研究平台相关主要设备

3. 无人机实验

在基本风电理论、模型、方法研究的基础上，专门为无人飞行器研究进行了专门实验技术储备。初步制定了系列实验方案，包括设置不同风速梯度变化的风场环境，通过模拟小型无人机悬停、前飞、侧飞实验，着重研究不同风向、不同风速的风对直升机气动力学的影响；对模型旋翼进行吹风，设置变转速旋翼梯度，通过旋翼气动模型在流场中的状态来对比试验状态旋翼需用功率和试验测量所用的功率，验证变转速旋翼在性能方面和振动在和方面的特性；设置不同风速梯度范围和不同旋翼转速变化范围，测量并研究桨根载荷、桨叶表面载荷、小拉杆载荷等不同部位在工作状态下的载荷变化等，方便为整机设计、测试与研发提供技术和理论基础。相关实验过程见图4所示。

图4 无人机旋翼模型试验

二、数字孪生实验室

数字孪生实验包括了数字模拟计算中心、三维显示共享平台、会议交流与信息中心等组成部分。可实现风力机整机和无人飞行器整机建模、智慧化3D渲染、智能感知、流场分析、有限元分析、模态分析、多角度数据计算及分析等功能。此外，针对“风-光-氢-电”多能互补研究进程，也提供了建模、渲染、有限元分析等多项功能，从计算与理论分析的角度提供研究基础和研究依据。

绿能所在多个项目中承担了风力机智能状态监测、故障诊断及预测任务，叶片结构分析及载荷分析任务，叶片颤振效应及叶尖损失任务，风力机叶片翼型优化及空气动力学分析任务，风电场模拟及风模型构建等多项工作。基于数字孪生实验室，构建起了“风-场-机-电”一体化的数字信息平台，将为解决风力机在现实工业场景下的各项问题提供解决思路与参考依据。主要设备为高性能计算及仿真计算中心和巨幕显示屏，相关设备见图5所示。

a）高性能计算及仿真计算中心            b）100英寸巨幕液晶显示器

图5 数字孪生实验室相关主体设备

当前基于数字化模拟及风电数字孪生的建设已初见成效。面向一风电场运行过程的载荷及状态分析相关项目，课题组成员利用一年时间，完成了面向风电场的风资源整合及评估，基于叶素动量理论（BEM）的风力机建模及关键部位载荷计算分析，针对齿轮箱、主轴、叶根螺栓等关键零部件的强度校核和故障分析等工作。并以此工作为基础，开发了一套集“工况定制-载荷计算-强度校核-故障诊断-安全评估”于一体的方法和分析平台，形成风力机柔性结构应力计算与校核系统工业软件FSSS。软件平台截面如图6所示。

图6 FSSS软件平台主界面

未来，数字孪生实验室预计扩展规模，面向风电场建立数据及计算中心，实现多风电场、多机协同的智能化信息综合平台，针对风力机全生命周期运行过程实现规范化、准确化的建模、仿真、模拟、感知、运维。

图7 风电数字孪生

三、总结

依托绿能所创新试验平台，将重点解决新一代风能利用、低空飞行器和新能源汽车中涉及的基础科学和关键技术难题，立足于自主创新，在国际能源领域中为我国赢得了一席之地。当前，研究所已建立了一支能够承担国家重大战略规划、重大科研任务、引领国内能源科技发展、在国际上有着重要影响力的科研团队，并已初步取得令人瞩目的成绩，在国内外相关学术和行业发展中具有明显的不可替代性。