基于CiteSpace分析近十年来我国风力机叶片研究热点*

蒙建国，王凯，任其科，赵祥，耿滔，姜合群

(1.内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010)

风能利用率[1]是评价风力发电机产业发展的重要指标，风力发电在可再生能源领域中占据极其重要的地位，相对于2001年底来看，由GWEC统计2019年全球风力机装机增长超过26倍，风力发电成为目前最具潜力、前景光明的发电方式之一.中国在2019年底成为全球陆地风电累积装机容量的榜首，中国风电发展领先.2020年北京国际风能大会上发表《风能北京宣言》[2]，提出在“十四五”规划中提高对风机装机数量.相对于煤炭发电方式来说风力发电的风能利用率较低，最高的风能利用率不会超过59.3%，而风力机叶片是风力发电机的主要部件，对风力机叶片的研究对风力机的性能具有很大的作用.

关于风力发电机叶片综述类文章，大多数以作者的主观认识进行分析，缺乏整体的数据支持，为对目前发表的科研文献进行统计分析，解决缺乏客观的实在性问题，本文基于信息可视化CiteSpace软件[3，4]检索中国知网数据库2011～2020年间发表在CNKI“全部期刊”和“博硕士”，以风力机叶片为主题，采用高级检索方式，共搜索2011年1月1日至2020年12月31日期间相关中文文献4 627篇，将相关的会议信息、杂志介绍等非学术相关文献，最后得到有效文献共4 467篇.针对年度风力机论文数量产出、风力机叶片相关研究热点、高频关键词、研究代表组织、研究代表学者等相关信息开展分析，获得相应的信息图谱.对风力机叶片涉及研究内容与关键词等文献进行汇总，了解目前的风力机叶片的研究热点、发展趋势及存在的问题[5，6]，明确前进方向，对促进我国风力发电机产业的发展具有极其重要的现实意义.

1 检索结果及讨论

1.1 检索文献的时间分布特点

从文献检索的角度来看，相关研究领域的文献数量及发表时间分布特点进行数据分析，能够相对客观的反映该行业及学术领域的研究进程，国内学者以“风力机叶片”为主题的相关文献年度产出(学术及学位论文)如图1所示，在2011～2013年期间呈上升趋势，2013～2014年期间相对来说有下降趋势，在2014年～2020年论文发表数量成上升趋势.2011～2020年10年期间2020年发表的论文数量最多(690篇)，2011年发表的论文数量最少(244篇).由此可见，近十年来伴随着科学技术的快速发展，全国各地对新能源技术[7]的大力支持及研究人员对风力机叶片的理论积累、研究及实验经验，使我国风力机叶片的研究整体趋势呈现相对增长态势.

图1 2011～2020年我国风力发电机叶片研究论文整体产出

从研究风力机叶片论文整体的产出数量所示分析，能够间接地反映出我国风力发电机叶片领域的发展状况及开展的相关研究情况，目前我国对风力机叶片性能的研究正处于稳步增长的阶段，对风力机这一行业的发展研究进程具有很大的现实意义.

1.2 检索文献2011～2020年我国风力机叶片关键词可视化分析

论文通过CiteSpace可视化软件中的高频词探测技术算法分析进行关键词的频数分析，依靠变化趋势预测风力发电机的发展趋势和研究内容，将时间切片设置为2，将筛选的年限分为5个时区.节点采用Keyword类别进行设置，经软件分析后获得风力机叶片研究可视化研究热点关键词图谱，如下图2所示，通过关键词图谱可以较明确的反映出近十年来我国研究机构及领头学者关于风力机叶片的前沿术语和研究方向，间接的反映出目前风力机叶片的研究领域.

由关键词可视化图谱(图2)及高频关键词(表2)可知，以“风力机叶片”为主题，时间为2011～2020年，检索该研究领域内主要高频研究热点关键词有：风力机叶片、数值模拟、气动性能、翼型、叶片优化设计、流固耦合、复合材料、CFD等.

图2 2011～2020年我国风力发电机叶片关键词热点图谱

表1 2011～2020年风力机叶片研究高频关键词

(1)风力机叶片

风轮是风力机风力发电的关键部位，叶片的形状、尺寸和数量直接影响到风力机将风的动能转化为机械能或电能的工作效率.根据叶片的不同数量可分为单片、两叶片、三叶片和多叶片等，如图3所示.目前大多数的风力机采用三叶片，个叶片之间带动效果明显.此外风力机叶片在一定的情况下会发生失效现象，而造成失效情形有很多原因，在南方地区由于在海上，风机叶片常受到盐雾腐蚀、海浪载荷、海冰冲撞、台风破坏，在西北地区的陆上风机叶片覆冰冰冻、风沙冲蚀、飓风疲劳破坏等，王健等[8]人通过叶片缩微模型实验明确了运行状态下风力机叶片与沙粒之间的相互作用方式及冲蚀磨损机理,张亚楠、周勃等[9，10]对风力机叶片的疲劳损伤做了进一步研究.

图3 根据风力机叶片数目分类

(2)数值模拟

数值模拟在近几年对于大型机械的研究逐渐深入，计算机技术与科技的进步，对于风力叶片的分析也不在只局限于通过现场试验得出相应结论，为了应对风力机叶片在不同的状况下性能及特性的分析，一些专门的仿真分析软件应运而生，为风力机叶片领域的研究提供了便捷.ANSYS有限元软件[11]的应用较为广泛，其中有的FLUENT及CFX模块为研究风力机叶片在不同工况下的气动特性、冲蚀、塔影效应、翼型、叶片优化设计等方面提供了便利，而在其WORKBENCH模块之中研究风力机叶片的疲劳强度、损伤、振动特性等方面提供了便捷.

(3)气动性能

风力发电机叶片的空气动力学特性是由叶片的几何形状决定的，叶片气动特性计算的准确性，将直接影响叶片的气动性能和结构安全，李岩等[12]专家运用风洞试验和数值模拟方法进行叶片结冰状态下叶片的气动性能变化.风力机的气动特性会受到叶片翼型、风向等因素的影响，风切变、风剪向、紊流、湍流等对风力机叶片的损伤很大，在一定程度上会对叶片的气动特性产生一定的影响.我国陆地风场大多处于高海拔地区，受冰冻影响较为严重[13，14]，影响着机组的气动性能及设备安全.因此，对于风向的研究也是风力机叶片领域的重点.

(4)翼型

风力机叶片的气动特性很大程度上取决于风力机所采用的翼型,对于研究翼型的性能对风力机叶片的气动特性具有重要意义，其结构由前缘、尾缘、上表面和下边面组成，如图4所示.在大型风力机叶片研究中，吴友健、李焜林等[15，16]人利用Fluent模型对风力机叶片翼型气动性能进行了数值计算；与此同时当不同时速的风通过相同的翼型时会产生不同的绕流现象，而在相同风速条件下，翼型迎角的大小的改变会导致翼型压差阻力[17]的改变；王颖[18]对大型风力机叶片翼型进行分析得到相关参数，经计算后应用于其他翼型的气动分析中.

图4 风力机翼型组成

(5)叶片优化设计

风力机叶片使风力发电机的关键部位，风力机叶片的优化涉及到风力机叶片的扭角、弦长、相对厚度的分布、翼型、叶片的涂层材料[19]、疲劳强度、冲蚀损伤检测等诸多方面，任孔明、黄琬婷、李强、金哲岩、杨阳针等[20-23]人对不同型号的风力机叶片进行多方面的研究，通过模态试验寻找出风力发电机叶片在一定条件下最佳的叶片优化配比，从而使风力机叶片来适应风沙、盐雾、结冰等不同境况.现今应用较为广泛的使利用风洞实验[24]以及模态试验[25]进行叶片的优化设计.因此其叶片的优化，为风力机发电效能的提升、后期运行维护费用的降低、风场收益具有重大意义.

(6)流固耦合

风力机叶片在流场中运行工作，其受到流场环境的影响会发生一定的性能和行为变化，反过来风力机叶片的位形同样会对流场产生一定的影响.例如西北地区风场中风沙环境、风速变化、覆冰现象，南方海上的盐雾、海浪、海冰冲撞、台风等会对风力机叶片的应力应变、叶片载荷、疲劳强度、振动频率等叶片气动特性产生变化[26-33]，相反叶片的气动特性变化会使流场产生绕流、紊流、湍流现象，现阶段大量的风力机叶片特性与流场条件的流固耦合实验对风力机行业的发展产生了一定的促进作用.

(7)复合材料

西北及北部地区风力资源十分丰富，但其环境却十分的恶劣，冰冻、风沙天气十分常见，风力机叶片涂层在此条件下遭受到发生严重的冲蚀磨损，使风力机发电效率下降严重时会导致叶片的断裂，导致风场对叶片的维护成本升高.由于现已知材料众多，张立、赵科等[34-42]人为找到合适的材料来解决风沙对叶片冲蚀磨损、冰冻对叶片的疲劳破坏选择不同的复合材料作为叶片的成型材料或涂层进行了大量的风洞实验及数值模态分析及实验.

(8)CFD

CFD是Computational Fluid Dynamics的缩写，即计算流体动力学，在风力机叶片研究领域常用的分析软件由FLUENT与CFX[43]，常将风力机叶片与流体力学结合起来，将固体部分进行离散化做一些关于风力机叶片的流固耦合特性进行数值模态分析，例如阎超、刘陈、许小明等[44-47]人利用CFD技术对风力机叶片三维模型进行气动特性、热流计算、振动频率等进行模态实验，对风力机叶片的特性分析以及叶片的优化设计提供了便捷途径.

从高频关键词可以看出：我国科研工作者针对风力机叶片的研究重点和热点，主要是围绕风力机叶片的模态分析、气动特性和叶片优化设计过程中存在的实际问题和关键点开展研究，为风力发电机行业的发展以及可再生能源领域具有重要的理论和现实意义[48，49].

1.3 检索文献2011～2020年我国风力机叶片研究作者及组织可视化分析

此阶段选用作者为网络节点进行分析，时间切片为2，分为5个时间段，筛选Top 30进行可视化分析，经可视化分析获得风力叶片领军人物的图谱，该领域的作者节点相对密集，连线较多，表征了团队领头人之间的联系很密切，主要形成了分别以李春、汪建文、王同光等人为首的风力机叶片研究团队，拓宽并重构着风力机叶片研究的版图，为其研究注入着新鲜血液和能量，如图5所示.其中对于在风力机叶片领域的研究中，李春的发文量位居榜首，汪建文发文量位于第二位，表明了李春、汪建文等在风力机叶片研究领域中具有较高的学术影响力.

对研究风力机叶片的组织进行热点分析能够相对准确的掌握风力机叶片研究组织的影响力和分布的特点.通过选用组织当做节点类型进行分析，计算后得到2011～2020年我国风力机叶片的研究组织可视化图谱，如图6所示.

从长期的发展进程来看，大学一直是各类研究的重点场所，风力机叶片领域的研究在大学场所中在得到知识配置层帮助的同时，还能够获得相当大的装备、资源、人力和财力的支持.目前来看风力机叶片的研究组织周要集中在不同地区的高校，发文量较多的组织分别是内蒙古工业大学能源与动力工程学院、上海理工大学能源与动力工程学院、中国科学院工程热物理研究所、南京航空航天大学、江苏省风力机设计高技术研究重点实验室、重庆大学机械传动国家重点实验室、兰州理工大学能源与动力工程学院、新疆大学机械工程学院、风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室、广东工业大学机电工程学院、华北电力大学能源动力与机械工程学院、东北农业大学工程学院、上海电力学院能源与机械工程学院、长沙理工大学能源与动力工程学院等高等教育单位为首的组织，如表2.

图5 2011～2020年我国风力机叶片研究作者

图6 2011～2020年我国风力机叶片的研究组织可视化图谱

整合我国风力机叶片的研究组织可视化图谱及风力机叶片研究机构统计表对高产的组织机构进行学术分析，获取其组织的主要研究方向及范围，分析如下：

(1)内蒙古工业大学能源与动力工程学院在“风力机叶片”研究领域发文量是最多的是汪建文团队，其次是马剑龙团队，两个团队在对风力机叶片研究上联系密切，汪建文团队在风力机叶片的叶片应力应变、风力机性能上研究较广，相对有前者，马剑龙团队近些年在风力机叶片研究更加深入，团队在基于不同入流方式对叶片气动性能及叶片压力分布影响的数值分析研究[50]；还针对于翼型的凹变结构进行改良，应用于叶片刚度、阻尼比和固有频率的改进，为翼型族的进一步发展提供了新思路[51]；利用高频PIV方法进行了尾迹流场特征的实验,获得了尾迹膨胀、叶尖涡耗散与来流风速、接入负载、偏航角度间变化规律，为进一步研究提供了参考价值[52]，与此同时在风力机叶片优化设计，模态数值分析、翼型设计[53-54]等方面提供了大量的借鉴技术.

表2 2011～2020年风力机叶片研究机构统计表

(2)上海理工大学能源与动力工程学院在“风力机叶片”研究领域发文量最多的是李春团队，该团队对风力机叶片分析运用的方式是数值模拟方法.利用风力机叶片的有限元模型，通过改变叶片的翼型、尾缘、叶片结构、涂层及复合材料等，采用CFD方法获得叶片的振动性能、弯扭耦合变形量、模态特性、力学性能等对风力机性能影响较大的因素.

(3)兰州理工大学能源与动力工程学院在“风力机叶片”研究领域发文量最多的是李仁年团队，依托于国家重点研究发展(973)计划，对风力机叶片在不影响整体性能的前提下进行简化处理，得出风力机叶片气动弹性的7个基本假设[58]；依托于Wilson理论,采用Matlab对风力机气动外形设计程序,将叶片弦长、扭角进行优化设计，满足叶片几何参数的优化方程，实现了叶片的优化[59]；同时为改进风力机气动计算方法——Glauert理论，其团队利用1.5 MW风力机叶片进行气动外形设计,进行气动模型、尾流模型计算得出优化设计模型，新的水平轴风力机叶片大大提高了风力机的气动性能[60].

(4)南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室在“风力机叶片”研究领域发文量是最多的是王同光团队，利用NH1500叶片二维实体模型在ANSYS/LS-DYNA建立冰雹以及风力机叶片截面抗冰雹冲击数值模拟，获取相应的数据，有效提高叶片前缘的抗冲击能力[61]；阐述了采用CFD方法计算下2 MW风力机不同叶尖构型对风力机叶片气动性能具有不同的影响，其认为压力面加装小翼是综合较优的叶尖改型方式，为风力机叶尖小翼工程设计提供了参考[62]；同时研究了非定常气动特性在三维旋转效应的方法计算比在二维基础上的计算结果更佳明显[63].

除上述5个团队来说，还有一些组织对海上风力机叶片进行了深刻的研究，例如大连理工大学对海上浮式风机叶片的气动弹性、空气动力载荷、叶片外形优化设计及模态分析进行了大量的实验[64-68].

此外利用CiteSpace可视化软件对研究组织在Timezone中进行时区划分，获得了在不同时间段中主要的研究组织的分布如图7所示.

1.4 检索文献2011～2020年我国风力机叶片研究热点

利用CiteSpace可视化软件对热点关键词在Timezone中进行时区划分，得到在不同时间段期间的研究热点[69]，如图8所示，在2011～2012年风力发电机叶片的气动特性、数值模拟、遗传算法优化设计、叶片优化设计成为当时的主流；2013～2016年风力机叶片的流固耦合、固有频率、三维建模等分析逐渐深入；2017年后对风力发电机叶片的结构性能、涂层材料选择、环境因素影响、叶片优化设计、风洞实验等研究更加深入.通过在不同时间段风力机叶片不同的热点研究，能够掌握风力机叶片的发展进程，对风力机产业的发展提供必要的理论知识和技术支持，为更好的提升对可再生能源的利用提供参考.

图7 2011～2020年研究组织的时区域图

图8 2011～2020年热点关键词的时区域图

2 结论

1)我国对新能源技术提供了大量的政策支持，近十年来的时间里，以“风力机叶片”为主题的论文发表数每年平均由446.7篇发表，表现出良好的上升趋势，研究进程分为稳定增长(2011～2014年)和急剧增长(2015～2020年)2个阶段.

2)根据风力机叶片高频关键词、研究组织及作者可以看出，近十年来主要形成了分别以李春、汪建文、王同光等人为首的风力机叶片科研组织，依托高校完善的知识配置体系和国家政策的支持，围绕风力机叶片的数值模拟分析、气动特性、翼型、叶片优化设计、流固耦合、涂层复合材料的选择、有限元分析、冲蚀磨损、疲劳损伤等热点问题进行研究，各团队在风力机叶片领域具有各自的特色，地域性研究明显，但团队之间存在着一定的联系，拓宽并重构着风力机叶片研发领域的版图，为风力机叶片研究注入着新鲜理论构想及新实践思维，为风力发电机行业的发展以及可再生能源领域提供了重要的理论知识与实践技术支持.

3)今后风力机的发展进程会进一步加快，叶片优化设计、风洞数值模态分析实验、叶片涂层材料选择、叶片的疲劳损伤实验等将成为对风力机研究的主要潮流，为我国在可再生能源的利用上提供更加有效地技术支持，为进一步解决实际自然条件对风力机产业发展过程中面临的困难提供了必要的实践基础.