复杂来流条件下水平轴风力机流场特性与气动载荷研究

发布时间：2021-03-06 14:43

　　在大气边界层内运行的水平轴风力机始终受边界层内流动结构的影响,其空气动力学特征呈现高度的非定常性。特别是风力机风轮直径和轮毂高度的增加将增大边界层内流动结构对风力机的影响,来流的非均匀性和脉动特性不仅影响风轮气动载荷的分布,而且会引起更加复杂的尾流结构,导致下游风力机的来流条件发生明显变化。因此,为了明确来流条件对风力机流场特性和风轮气动载荷的影响规律,首先验证了本文所采用的数值计算模型和方法的准确性,在此基础上,考虑大气边界层内的湍流强度、风剪切和低空急流特征,研究了复杂来流条件下水平轴风力机流场特性和风轮气动载荷的变化规律。主要研究工作包括:（1）基于逆傅里叶变换方法,采用IEC Von Karman谱模型建立了不同湍流强度的均匀来流风场,研究了不同湍流强度对风力机风轮气动力和力矩的影响。结果表明,在中性大气条件下,当来流湍流强度在5%和20%之间变化时,来流湍流强度的增大有利于提高风轮的转矩,但同时也会引起风轮不平衡气动力和气动力矩（风轮横向力、纵向力、偏航力矩和倾覆力矩）的增大。（2）基于雷诺时均的CFD方法,探讨了剪切来流条件下叶片表面压力和风轮气动力和力矩的变化规律。研究表... 

【文章来源】：兰州理工大学甘肃省

【文章页数】：167 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
物理量名称及符号表
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 风力机气动性能的研究方法
        1.2.2 风力机尾流特性的研究
        1.2.3 来流条件对风力机流场结构和气动载荷影响的研究
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 风力机基本理论和研究方法
    2.1 大气边界层风速特性
        2.1.1 平均风速分布
        2.1.2 湍流强度
        2.1.3 湍流积分尺度
        2.1.4 风功率谱
    2.2 风力机空气动力学基本理论
        2.2.1 Betz理论
        2.2.2 叶素理论
        2.2.3 叶素动量理论（BEM）
        2.2.4 叶素动量理论的修正
    2.3 风力机计算流体力学理论
    2.4 计算模型与方法的验证
        2.4.1 FAST中计算模型与方法的验证
        2.4.2 CFD数值计算方法的验证
    2.5 本章小结
第3章 湍流强度和风剪切对风力机风轮气动载荷的影响
    3.1 风力机来流脉动风场的模拟方法
    3.2 湍流强度对风力机气动载荷的影响
        3.2.1 不同湍流强度脉动风场的建立
        3.2.2 湍流强度对风轮气动载荷的影响
    3.3 风剪切来流条件下风力机气动特性的研究
        3.3.1 风剪切来流下风力机叶片表面压力的分布规律
        3.3.2 风剪切来流条件下风轮流场特性研究
        3.3.3 风剪切来流条件下风轮和叶片气动载荷特性研究
    3.4 本章小结
第4章 低空急流对风力机风轮气动载荷的影响
    4.1 低空急流脉动风场建模
LLJ谱模型的低空急流脉动风场建模">        4.1.1 基于GP_LLJ谱模型的低空急流脉动风场建模
        4.1.2 工程化低空急流脉动风场建模
    4.2 低空急流高度变化对水平轴风力机气动载荷的影响
        4.2.1 不同高度的低空急流脉动风场建模
        4.2.2 不同高度的低空急流条件下水平轴风力机气动载荷研究
    4.3 低空急流强度变化对水平轴风力机气动载荷的影响
        4.3.1 不同强度的低空急流脉动风场建模
        4.3.2 不同强度的低空急流条件下水平轴风力机气动载荷研究
    4.4 低空急流条件下稳定度变化对水平轴风力机气动载荷的影响
        4.4.1 不同稳定度条件下的低空急流脉动风场建模
        4.4.2 不同稳定度的低空急流条件下水平轴风力机气动载荷研究
    4.5 本章小结
第5章 基于等效风速方法的来流风功率和风轮输出功率特性研究
    5.1 风力机来流风功率计算
        5.1.1 风力机来流风功率的理论计算值
        5.1.2 基于轮毂高度处单点风速方法的来流风功率计算
        5.1.3 基于等效风速方法的来流风功率计算
    5.2 基于等效风速方法的风轮输出功率特性研究
        5.2.1 基于等效风速方法的剪切来流条件下风轮输出功率特性研究
        5.2.2 基于等效风速方法的低空急流条件下风轮输出功率特性研究
    5.3 本章小结
第6章 风力机尾流自相似和蜿蜒特性研究
    6.1 风力机尾流自相似特性研究
        6.1.1 均匀来流条件下尾流区轴向速度分布
        6.1.2 均匀来流条件下尾流区轴向速度变化的自相似性
        6.1.3 均匀来流条件下尾流区涡量分布
        6.1.4 剪切来流条件下尾流区轴向速度分布
        6.1.5 剪切来流条件下尾流区轴向速度变化的自相似性
        6.1.6 剪切来流条件下尾流区涡量分布
    6.2 风力机尾流蜿蜒特性研究
        6.2.1 不同来流条件脉动风场的建立
        6.2.2 不同来流条件下尾流蜿蜒特性研究
    6.3 本章小结
结论与展望
    1.结论
    2.展望
    3.创新点
参考文献
致谢
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
附录B 部分程序代码和公式补充


【参考文献】：
期刊论文
[1]轮毂高度差或上游风力机偏航角对风力机总功率输出的影响[J]. 杨从新,何攀,张旭耀,张亚光,金锐.  农业工程学报. 2018(22)
[2]Interaction between the atmospheric boundary layer and a standalone wind turbine in Gansu—Part II: Numerical analysis[J]. Zhi Zheng,ZhiTeng Gao,DeShun Li,RenNian Li,Ye Li,QiuHao Hu,WenRui Hu.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(09)
[3]两种典型低空风切变对火箭弹弹道特性的影响[J]. 陈健伟,王良明,李子杰.  北京航空航天大学学报. 2018(05)
[4]基于改进型升力面自由涡尾迹法的风力机性能研究[J]. 张蕴宁,叶舟,李春.  太阳能学报. 2017(05)
[5]风电机组尾流与疲劳载荷关系分析[J]. 邓英,李嘉楠,刘河生,庞辉庆,田德.  农业工程学报. 2017(10)
[6]基于Park-Gauss模型的风场尾流数值模拟[J]. 杨祥生,赵宁,田琳琳,朱君.  太阳能学报. 2016(09)
[7]脉动风速时程数值模拟[J]. 程华,钟华生,周凌,王龙.  兵器装备工程学报. 2016(04)
[8]偏航和风切变下风力机气动特性的研究[J]. 陈晓明,康顺.  太阳能学报. 2015(05)
[9]切变入流风况下风力机尾流特性研究[J]. 王胜军,张明明,刘梦亭,徐建中.  工程热物理学报. 2014(08)
[10]低空急流的研究进展与展望[J]. 刘鸿波,何明洋,王斌,张庆红.  气象学报. 2014(02)

博士论文
[1]基于致动线模型的风力机尾流特性研究[D]. 王胜军.中国科学院研究生院(工程热物理研究所) 2014
[2]风力机尾流数值模拟及风电场机组布局优化研究[D]. 田琳琳.南京航空航天大学 2014
[3]基于涡尾迹方法的风力机气动特性研究[D]. 许波峰.南京航空航天大学 2013

硕士论文
[1]低空急流对水平轴风力机气动性能的影响[D]. 罗颂.兰州理工大学 2018



本文编号：3067279