基于大涡模拟的风力机对区域大气边界层特性影响研究

发布时间：2020-10-09 00:22

　　 当今,风力发电以其节约能源、减少污染物排放等优点在国内外迅速发展起来,风力发电在带来积极环境效益的同时,风力机运行过程中对局地大气边界层结构、局地气候的影响已引起学界的高度关注。风力机是将风能转化为电能的核心设备,运行时产生尾流,造成大气的能量损失,所以研究风力机运行对大气边界层特性的影响机理对优化风能项目的设计至关重要。通过建立风力机及周围流场模型,采用非稳态大涡模拟方法结合大气湍流理论,引入UDF函数对Fluent软件进行二次开发,加载大气边界层风速廓线和温度分布函数,研究风力机运行时对区域大气边界层特性影响,做了如下工作:(1)分析探究风力机运行对大气边界层特性影响的机理,对风力机运行时尾流的涡结构及尾流流动特征进行分析,并探究了尾流对大气边界层气象因素的影响,结果表明:风力机运行会产生类似螺旋结构的尾涡,尾涡结构分为中心涡、叶尖涡以及附着涡三个部分,风力机运行产生尾流是导致大气边界层特性改变的主要因素,尾流扰动减小了大气边界层内的大气能量,增加湍流动能,不但打破了大气边界层原本的分布结构、特性及能量平衡,同时在近尾流区域内速度亏损严重,湍流扰动剧烈,在近尾流风速廓线和湍动能分布曲线上均存在四个风速和湍流强度峰值,分别对应叶尖的叶尖涡和叶轮的中心涡。(2)风力机运行在不同气温层结条件下对底层边界层区域特性对比变化分析,风速、湍动能、风切变指数、动量通量、热量通量在不同层结对比发现:气流在经过风力机后,变化趋势大致类似,但不同层结所引起的变化数值略微不同,同时由于在不同层结下温度的竖直分布不同导致风力机尾流对大气边界层内温度影响在不同温度层结下变化对比较为明显,且不同稳定层结下近尾流区温度较周围大气温度变化范围很小。(3)针对下垫面变化时风力机尾流对大气边界层特性的影响进行研究,通过速度、温度、湍流度、风切变、动量以及热量通量的变化趋势及分布特性来说明风力机运行的影响,随着地表粗糙度的增大地表和大气之间的动量交换逐渐降低,而热量交换逐渐增高,速度恢复率逐渐降低;湍动能随着地表粗糙度的增大空间非均匀分布特性更加明显;温度沿垂直方向略微降低,且随着地表粗糙度的增大影响程度加深。
【学位单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

单个风力机下游尾流流动结构

风力机叶片部分翼型截面曲线图

叶片及风轮实体模型图

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本文编号：2832957