风力机尾流对下游风力机风轮气动特性的影响

发布时间：2020-04-06 13:54

【摘要】：随着环境污染、能源紧缺等问题日益严重,风电场的建设规模越来越大,风电场中的风力机数量越来越多。由上游风力机尾效应造成的下游风力机疲劳载荷增加,风场功率损失等问题也日益突出。因此本文将以NREL 5 MW风力机作为研究对象,采用变转速控制方式,基于OpenFOAM开源软件,使用致动线和大涡模拟相结合的方法,研究风电场中上游风力机尾流对下游风力机风轮气动性能的影响。主要研究工作包括以下三部分:第一部分,对致动线方法的网格尺度(η)和高斯分布因子(ε)的取值规律做了研究,发现两者的取值规律满足关系式ε=k·η,当η取值越大时,k取值应越小;针对本文计算问题,确定了η和ε的取值,计算区域比较小时,η取2.5m,ε取1.6η。计算区域比较大时,η取5m,ε取1.2η;在以上结论的基础上,以风轮功率误差和风力机转速误差为评价标准,对数值方法做了验证;第二部分,在理想入流条件下,首先研究了不同叶尖速比下风力机的尾流特性。发现风力机尾流速度亏损主要集中在风轮后叶片中间对应的位置;随着叶尖速比减小,尾流速度恢复变慢,由风轮阻滞效应造成的尾流膨胀减小,流场中涡量耗散减慢,向后推移的距离也越长;在风力机尾流场中,涡量值大的位置,大涡粘度、亚格子动能比较大,亚格子应力也比较大;其次,研究了通过控制上游风力机尾迹使其发生倾斜或偏移,提高风电场功率输出的策略。发现上游风力机存在偏航角或两台风力机存在轮毂高度差,均可提高两台风力机的总功率输出;最后在额定风速下研究了上游风力机倾斜尾流或偏移尾流对下游风力机的推力、转矩以及叶片轴向力和切向力的影响。发现上游风力机尾迹改变后,下游风力机载荷的平均值和振幅均明显增大。通过分析上游风力机在不同偏航角下,下游风力机叶片在0.3R、0.6R、0.9R处的轴向力和旋转切向力,发现随着上游风力机偏航角增大,轴向力和切向力都在增大,增大到一定值后,保持恒定,最大值对应的方位角区间增大,最小值对应的方位角区间减小,并且最小值对应的方位角区间内,有轴向力和旋转切向力急剧变大的现象;通过分析不同轮毂高度差时,叶片在0°、60°、120°和180°位置处受到的轴向力和切向力,发现随着轮毂高度差增大,叶片受上游风力机尾流的影响减小。叶片处于尾流区和非尾流区时,轴向力和切向力变化明显。第三部分,在自然入流条件下,首先考虑大气浮力、科里奥利力和地表热通量,模拟了3000*3000*1000 m~3的大气边界层。在覆盖逆温层以下,位温在垂向上不发生变化,平均风速在垂向上呈现出剪切特性;大气边界层中各点的风速和风向呈现出脉动特性。脉动风速满足湍流谱特性,在惯性子区满足-5/3能量递减规律;其次在大气边界层中布置了距离为6D的两台风力发电机,发现风场中的风力机随时间的变化,功率、推力和转矩是随机变化的,但总体趋势满足正弦分布,并且下游风力机平均功率、推力、转矩均小于上游风力机,但变化振幅大于上游风力机。对上、下游风力机气动载荷做频谱分析,发现风轮气动载荷的能量集中时,对应的频率与叶片数有关;最后,在风电场中布置了8台风力机,对风场的流场和各风力机的气动特性做了研究。额定风速以前,随着风速增大,风场的功率损失也越来越大。各风力机的功率、推力、转矩呈正弦波形式变化,并且后排风力机功率的振幅明显高于第一排风力机,从第二排开始,风力机振幅有下降的趋势。本课题涉及到的研究内容、方法和结果对风电场微观选址具有参考作用。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK83

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本文编号：2616598