基于致动线模型的风力机尾流特性研究

发布时间：2019-04-21 08:55

【摘要】：严重影响风电场经济效益和安全运行的风力机尾流效应会导致下游风力机发电功率降低和疲劳载荷增大,是风电场微观选址工作中必须考虑的因素。风力机尾流效应主要受来流风况、地形地貌和风力机排布方式的影响,本文主要通过数值模拟和风洞实验研究了均匀入流、切变入流、湍流入流及多台风力机相互干涉尾流等不同风况下风力机的尾流特性,将有助于更准确的了解风力机尾流发展变化规律,为风电场微观选址、风力机功率预测等工作提供帮助。由于致动线模型利用体积力模拟风力机叶片,从而不需要建立实体网格、降低了网格划分难度并提高了计算速度。本文选择致动线模型作为风力机尾流特性数值研究方法,首先综合考虑各种修正因素影响开发了基于商业CFD软件ANSYS FLUENT平台的致动线模型,并首次在致动线模型中考虑了体积力模拟的机舱和塔架对于风力机尾流流场的影响,提高了致动线模型的计算精度。然后基于风力机气动性能参数和尾流流场细节确定了主要影响因素：三维高斯分布光顺参数应不小于2倍网格尺寸,时间步长应根据CFL数不大于1确定。通过对比致动线模型数值结果与NREL phase Ⅵ风力机全尺寸实体网格大涡模拟计算结果及IET风洞内风力机模型尾流测量结果,发现所开发的致动线模型可用于研究风力机尾流特性。针对均匀入流风况,本文利用致动线模型对NREL phase Ⅵ风力机尾流特性进行了数值研究,同时利用热线风速仪测量了中国科学院工程热物理研究所低速风洞内风力机模型的尾流特性,结果表明：塔架对气流的阻塞效应导致风力机转子下侧区域速度亏损和湍流强度增大,风力机近尾流特性研究不能忽略机舱和塔架影响；叶片数增加,风力机功率和推力增加,同时尾流区速度亏损增加、湍流强度增大、尾流恢复速度加快；随着远离转子,尾流区内速度亏损和湍流强度逐渐减小,通过合理选择风力机间距可以增大风力机发电功率和降低疲劳载荷。针对切变入流风况,本文利用致动线模型研究了切变入流风况下NREL phase Ⅵ风力机尾流特性,结果表明：壁面的阻碍效应及风切变效应导致尾流区上侧速度亏损大于下侧,尾流区速度分布沿转子中心不对称；尾涡上部移动快,下部移动慢,导致尾涡发生倾斜。针对湍流入流风况,本文首先通过同时修正标准k-ε模型和修正壁面剪切应力建立了具有自平衡性的湍流入流风况,然后对风力机尾流特性进行了数值研究,结果表明：由于高湍流强度的影响,湍流入流风况下风力机尾流恢复速度远远大于切变入流和均匀入流风况；湍流强度是影响风力机尾流恢复的最重要因素。针对多台风力机相互干涉尾流入流风况,本文利用致动线模型进行了数值研究,结果表明：当下游风力机完全位于上游风力机尾流区内时,风力机整体速度亏损最大,功率和推力最小,此时尾流流场相互叠加导致下游风力机速度亏损和湍流强度增大,尾流流场迅速膨胀,同时尾流恢复速度加快；当下游风力机部分位于尾流区时,风力机功率和推力开始增大,但波动随之增强。最大湍流强度发生在下游风力机转子中心与上游风力机尾流区边界处重合时,此时下游风力机转子速度梯度最大,载荷波动最剧烈,这将严重影响风力机疲劳载荷。针对严重影响我国东南沿海风电场的热带气旋,本文首次利用尖劈和内六角螺栓粗糙元配合在风洞内生成了反映热带气旋特征的大气边界层廓线,并测量了风力机模型的尾流特性,发现：尾流区速度沿转子中心线非对称分布,但速度亏损基本对称分布；热带气旋作用下风力机尾流经过3D距离基本恢复。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315

【参考文献】