台风过境全过程大型风力机风荷载特性
发布时间：2021-01-17 19:32
台风结构的复杂性导致当处于不同台风生命周期时风力机的风荷载特性差异巨大,目前针对风力机台风过境全过程风荷载的研究尚属空白。本文在总结国内外台风实测研究成果的基础上,提出了一种针对风力机的台风过境全过程风场模拟方法。以美国可再生能源实验室5MW风力机为例,系统研究了台风过境全过程大型水平轴风力机的风荷载分布特性。结果表明,本文搭建的风力机台风过境全过程风场模拟方法可有效重现台风过境时风力机的全过程风荷载特征。台风眼壁干扰阶段的风力显著大于其它台风过境阶段,需要注意的是,台风眼过后的后眼壁阶段的台风影响仍然十分显著,叶片和塔架的弯矩极值分别达到前眼壁阶段的92.83%和93.97%。此外,研究发现台风外围干扰阶段（前后）和台风眼影响阶段的塔筒底部以纵向弯矩为主,而眼壁干扰阶段存在横风向弯矩占据主导地位的情况,大型风力机抗台风设计的关注点应与正常停机工况区别对待。本文研究结论可为进一步研究大型风力机抗强台风设计提供数据输入和参考依据。
【文章来源】：空气动力学学报. 2020,38(05)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
风力机台风过境全过程风荷载分析方法
其中，Um(i）和Wm(i）为依据台风实测数据[13]确定的分阶段台风顺风向平均风速和上升气流平均速度，k=1,2,3,4,5分别代表处于台风外围涡旋前缘、前眼壁强风、台风眼、后眼壁强风和外围涡旋后缘影响阶段，分别用FOVS(Front Out-vortex Stage）、FEWS(Front Eye-wall Stage）、TES(Typhoon Eye Stage）、BEWS(Back Eye-wall Stage）和BOVS(BackOut-vortex Stage）代表（图2）。此外，横风向风速分量V(t）被假设为零均值，因此V(t）仅包括脉动风速v(t）。台风过境过程中，由于台风的强对流作用以及其本身结构特性，导致台风与常态风剖面不同，且不同阶段台风风场之间差异十分显著。基于Franklin和Powell的台风实测研究结果，文献[16]提出了考虑空间影响的预测定向台风平均风速剖面的数值方法。此外，基于惯性子区的脉动风速谱一般形式，大量大气中性层结下的经验风速谱模型在此基础上被提出，并广泛应用于不同国家的抗风设计规范中，这些经验谱模型可统一表达为六参数脉动风速谱广义模型，如式（3）所示：
以现阶段较具有代表性的大型风力机之一NREL5 MW机型为例研究。本文所采用风场实测数据来源于“中国风能资源详查与评估”项目在南中国海建立的测风塔测量数据，基于收集的62个台风观测案例[15]分析可知，台风影响存在极大的特异性，台风各典型阶段的最大基本风速和作用尺度差异显著。选取观测中出现的最大平均风速60 m/s作为FEWS顺风向初始风速，BEWS顺风向初始风速为55m/s，外围影响阶段（FOVS和BOVS）和TES顺风向初始风速分别取为25m/s和12m/s。此外，W(t）在外围影响阶段、眼壁影响阶段和TES分别取为-2m/s、5m/s和-5m/s。风速模拟过程中来流平面划分为1024个节点，每间隔6m设置一个网格点，网格和风力机相对位置如图3所示。图4列举了不同台风影响阶段风力机轮毂位置处的脉动风速时程，图中std代表根方差值。轮毂处脉动风速时程在不同影响阶段存在差异显著的脉动特征。以顺风向为例，当台风处于眼壁强风影响时（包含FEWS和BEWS），顺风向风速标准差显著大于外围影响阶段和台风眼阶段，此时的顺风向湍流强度最大可达18%左右，这与文献[15]中实测得到的南海台风极端情况一致。此外，TES阶段下风速沿u方向和v方向的分量具有较好的跟随性，反映台风眼内水平风向较为稳定，而FOVS、FEWS、BEWS、BOVS阶段下风向具有显著的瞬变特征。
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑中尺度台风效应的大型风力机体系气动性能分析[J]. 柯世堂,徐璐. 东南大学学报(自然科学版). 2019(02)
[2]台风作用下2.5 MW风力机风荷载特性研究[J]. 练继建,贾娅娅,王海军. 太阳能学报. 2018(03)
[3]风力机不同风况的动力学响应研究[J]. 吴攀,李春,李志敏,叶舟. 中国电机工程学报. 2014(26)
[4]风力机风振背景、共振响应特性及耦合项分析[J]. 柯世堂,王同光,赵林,葛耀君. 中国电机工程学报. 2013(26)
[5]基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究[J]. 肖仪清,李利孝,宋丽莉,秦鹏. 空气动力学学报. 2012(03)
[6]澳门友谊大桥“鹦鹉”台风的湍流特性实测和分析[J]. 宋丽莉,庞加斌,蒋承霖,黄浩辉,秦鹏. 中国科学:技术科学. 2010(12)
[7]试析海上风机在强台风下叶片受损风险与对策——考察红海湾风电场的启示[J]. 王景全,陈政清. 中国工程科学. 2010(11)
博士论文
[1]分离失速下风力机气动力数值模拟研究[D]. 钟伟.南京航空航天大学 2012
硕士论文
[1]南海近海台风近地层风场特性研究[D]. 王乔乔.中国海洋大学 2013
本文编号：2983464
【文章来源】：空气动力学学报. 2020,38(05)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
风力机台风过境全过程风荷载分析方法
其中，Um(i）和Wm(i）为依据台风实测数据[13]确定的分阶段台风顺风向平均风速和上升气流平均速度，k=1,2,3,4,5分别代表处于台风外围涡旋前缘、前眼壁强风、台风眼、后眼壁强风和外围涡旋后缘影响阶段，分别用FOVS(Front Out-vortex Stage）、FEWS(Front Eye-wall Stage）、TES(Typhoon Eye Stage）、BEWS(Back Eye-wall Stage）和BOVS(BackOut-vortex Stage）代表（图2）。此外，横风向风速分量V(t）被假设为零均值，因此V(t）仅包括脉动风速v(t）。台风过境过程中，由于台风的强对流作用以及其本身结构特性，导致台风与常态风剖面不同，且不同阶段台风风场之间差异十分显著。基于Franklin和Powell的台风实测研究结果，文献[16]提出了考虑空间影响的预测定向台风平均风速剖面的数值方法。此外，基于惯性子区的脉动风速谱一般形式，大量大气中性层结下的经验风速谱模型在此基础上被提出，并广泛应用于不同国家的抗风设计规范中，这些经验谱模型可统一表达为六参数脉动风速谱广义模型，如式（3）所示：
以现阶段较具有代表性的大型风力机之一NREL5 MW机型为例研究。本文所采用风场实测数据来源于“中国风能资源详查与评估”项目在南中国海建立的测风塔测量数据，基于收集的62个台风观测案例[15]分析可知，台风影响存在极大的特异性，台风各典型阶段的最大基本风速和作用尺度差异显著。选取观测中出现的最大平均风速60 m/s作为FEWS顺风向初始风速，BEWS顺风向初始风速为55m/s，外围影响阶段（FOVS和BOVS）和TES顺风向初始风速分别取为25m/s和12m/s。此外，W(t）在外围影响阶段、眼壁影响阶段和TES分别取为-2m/s、5m/s和-5m/s。风速模拟过程中来流平面划分为1024个节点，每间隔6m设置一个网格点，网格和风力机相对位置如图3所示。图4列举了不同台风影响阶段风力机轮毂位置处的脉动风速时程，图中std代表根方差值。轮毂处脉动风速时程在不同影响阶段存在差异显著的脉动特征。以顺风向为例，当台风处于眼壁强风影响时（包含FEWS和BEWS），顺风向风速标准差显著大于外围影响阶段和台风眼阶段，此时的顺风向湍流强度最大可达18%左右，这与文献[15]中实测得到的南海台风极端情况一致。此外，TES阶段下风速沿u方向和v方向的分量具有较好的跟随性，反映台风眼内水平风向较为稳定，而FOVS、FEWS、BEWS、BOVS阶段下风向具有显著的瞬变特征。
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑中尺度台风效应的大型风力机体系气动性能分析[J]. 柯世堂,徐璐. 东南大学学报(自然科学版). 2019(02)
[2]台风作用下2.5 MW风力机风荷载特性研究[J]. 练继建,贾娅娅,王海军. 太阳能学报. 2018(03)
[3]风力机不同风况的动力学响应研究[J]. 吴攀,李春,李志敏,叶舟. 中国电机工程学报. 2014(26)
[4]风力机风振背景、共振响应特性及耦合项分析[J]. 柯世堂,王同光,赵林,葛耀君. 中国电机工程学报. 2013(26)
[5]基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究[J]. 肖仪清,李利孝,宋丽莉,秦鹏. 空气动力学学报. 2012(03)
[6]澳门友谊大桥“鹦鹉”台风的湍流特性实测和分析[J]. 宋丽莉,庞加斌,蒋承霖,黄浩辉,秦鹏. 中国科学:技术科学. 2010(12)
[7]试析海上风机在强台风下叶片受损风险与对策——考察红海湾风电场的启示[J]. 王景全,陈政清. 中国工程科学. 2010(11)
博士论文
[1]分离失速下风力机气动力数值模拟研究[D]. 钟伟.南京航空航天大学 2012
硕士论文
[1]南海近海台风近地层风场特性研究[D]. 王乔乔.中国海洋大学 2013
本文编号：2983464
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