风电机组尾流干涉效应数值模拟研究

发布时间：2017-06-19 06:00

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【摘要】：风电机组尾流效应主要带来两方面问题：一是尾流区风速降低造成尾流区内风电机组发电量损失；二是湍流度增加影响风电机组的气动性能和疲劳载荷,降低机组使用寿命,两者均对风电场经济效益造成了严重的负面影响。尾流干涉效应由多台机组自由发展尾流在下游叠加形成,具有更强的流动复杂性,对下游机组更具影响,是当前风电场尾流研究的热点和难点。围绕该问题,开展了单台、两台和多台风电机组的三维计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)数值试验,重点研究了机组下游尾流流场分布及其对机组主要性能参数的影响规律,主要工作和成果如下：(1)自由发展尾流效应数值模拟风电机组自由尾流研究是尾流干涉研究的基础。以美国可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory, NREL) 5MW大型海上风电机组为研究对象,建立了整机全尺度三维多块子域结构网格计算模型,充分考虑了机舱和塔筒对下游流场的影响,在指数律风切变来流下,开展了定常和非定常数值试验,结果与NREL报告结果进行了对比,验证了模型的可靠性。重点研究了网格拓扑结构对尾流数值试验结果的影响,讨论了数值模拟方法对尾流数值试验结果的影响,揭示了风切变来流条件下,不同来流风速对尾流发展的影响规律。结果表明：高精度的结构化网格拓扑模型在研究尾流问题中具有明显优势；相对于非定常数值模拟,定常数值模拟在捕捉流场细节方面存在劣势,然而在提供工程上需要的机组参数和流场速度分布方面区别并不明显；来流风速大有助于机组下游各个方向的速度恢复。(2)全尾流干涉和部分尾流干涉效应数值模拟两台机组尾流干涉是最简单的干涉形式,同时具有很强的代表性,能够充分反映两种典型的干涉效应,即全尾流干涉和部分尾流干涉,是多尾流干涉效应研究的基础。以两台NREL 5MW大型海上风电机组为研究对象,建立了两种典型布机方式下的整机三维全尺度结构网格计算模型,在风切变来流下,开展了非定常数值试验。对比研究了两种典型尾流干涉效应对流场速度分布和机组性能的影响。结果表明：全尾流干涉效应对下游机组的出力影响更大；部分机组尾流干涉效应对机组载荷影响更为明显,下游机组的推力系数随着方位角变化无法再呈现出“三叶草”形状,周期性被破坏；两种尾流干涉效应均对尾流的影响范围产生了扩张作用。(3)多尾流串列干涉效应数值模拟多尾流串列干涉是风电场中最常见的形式,此时,上游机组对下游机组的影响最大。以爱荷华州立大学(Iowa State University, ISU)风洞试验机组模型为研究对象,建立了5台机组串行排布的三维结构网格数值模型,在3种入流条件下开展了定常数值试验,通过与试验值对比验证了多台机组串列模型的可靠性。主要探讨了不同下游位置的机组性能变化,总结了不同大气边界层入流条件对尾流干涉效应的影响规律。结果表明：入流湍流度越高,风切变指数越大,下游机组功率损失越小,推力系数越大；入流湍流度越高,尾流区域流场速度衰减越小,同时具有更好的速度恢复能力；机组位置对流场速度分布和机组性能参数有重要影响,尾流叠加呈非线性,第2台机组受到影响最明显,从第3台机组开始,叠加影响趋于收敛。
【关键词】：风电机组 尾流效应 尾流干涉 数值模拟 大气边界层
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号列表13-17
• 第1章 绪论17-28
• 1.1 课题研究背景和意义17-19
• 1.1.1 课题研究背景17-18
• 1.1.2 课题研究意义18-19
• 1.2 风电机组尾流研究方法19-22
• 1.2.1 实验研究19-21
• 1.2.2 模拟研究21-22
• 1.3 国内外研究进展和现存问题22-25
• 1.3.1 风电机组尾流研究进展22-23
• 1.3.2 风电机组尾流干涉效应研究进展23-25
• 1.3.3 现存主要问题25
• 1.4 论文内容和论文结构25-28
• 1.4.1 研究内容25-26
• 1.4.2 论文结构26-28
• 第2章 数值模拟方法28-39
• 2.1 引言28
• 2.2 针对尾流研究的CFD模型28-32
• 2.2.1 几何模型28-29
• 2.2.2 网格拓扑结构29-30
• 2.2.3 数值模拟方法30-32
• 2.3 数值模拟方法32-37
• 2.3.1 控制方程32-33
• 2.3.2 湍流模型33-35
• 2.3.3 旋转区域流动模拟方法35-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第3章 自由发展尾流效应数值模拟39-63
• 3.1 引言39
• 3.2 物理模型39-41
• 3.3 网格划分和边界条件41-46
• 3.3.1 计算域41-42
• 3.3.2 网格划分42-45
• 3.3.3 边界条件45-46
• 3.4 数值模拟方法46
• 3.4.1 定常数值模拟方法46
• 3.4.2 非定常数值模拟方法46
• 3.5 算例46-47
• 3.6 网格拓扑结构对数值模拟结果的影响47-53
• 3.6.1 收敛结果与计算时间47-48
• 3.6.2 机组性能分析48-50
• 3.6.3 流场分析50-53
• 3.7 数值模拟方法对数值模拟结果的影响53-58
• 3.7.1 推力系数53-54
• 3.7.2 扭矩54-55
• 3.7.3 速度云图55-57
• 3.7.4 速度分布57-58
• 3.8 风速对尾流区速度分布的影响58-62
• 3.8.1 流向尾流区速度分布58-59
• 3.8.2 垂直方向速度分布59-60
• 3.8.3 水平方向速度分布60-62
• 3.9 本章小结62-63
• 第4章 全尾流干涉和部分尾流干涉效应数值模拟63-70
• 4.1 引言63
• 4.2 物理模型63-64
• 4.3 网格划分和边界条件64-66
• 4.3.1 计算域64
• 4.3.2 网格划分64-65
• 4.3.3 边界条件65-66
• 4.4 数值模拟方法66-67
• 4.5 数值模拟结果与分析67-69
• 4.5.1 机组性能分析67-68
• 4.5.2 流场速度分布68-69
• 4.6 本章小结69-70
• 第5章 多尾流串列干涉效应数值模拟70-78
• 5.1 引言70
• 5.2 物理模型70-71
• 5.3 网格划分和边界条件71-73
• 5.3.1 计算域71
• 5.3.2 网格划分71-72
• 5.3.3 边界条件72-73
• 5.4 数值模拟方法73
• 5.5 算例73
• 5.6 数值模拟结果与分析73-76
• 5.6.1 机组性能分析73-75
• 5.6.2 流场速度分布75-76
• 5.7 本章小结76-78
• 第6章 结论与展望78-81
• 6.1 结论78-79
• 6.2 创新点79
• 6.3 展望79-81
• 参考文献81-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果87-89
• 攻读硕士学位期间参加的科研工作89-90
• 致谢90

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本文编号：461640