考虑中尺度台风效应的大型风力机体系气动性能分析
发布时间：2021-12-24 04:27
为系统研究台风作用下风力机体系的气动性能与风效应特性,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式对台风"鹦鹉"进行高时空分辨率模拟.基于最小海平面气压追踪的台风中心路径与实测路径的对比结果,验证模拟的有效性.以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,结合小尺度CFD大涡模拟技术对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟.结果表明,采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076.台风下叶片和塔架的脉动和极值风压系数显著增大,最大增幅达29%.台风作用下叶片与塔架完全重合时为最不利情况,旋转至上叶片完全重合时安全余度最大.
【文章来源】：东南大学学报(自然科学版). 2019,49(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图2台风速(a)登陆前(b)登
使得气压逐渐升高，通过与实测结果对比发现，本文模拟得到的气压分布吻合度较高．台风附近云系降水属长时间对流性降水，该区域雨量较大且与台风强度和中心距离有关，采用Noah路面过程方案可较好地模拟地表通量和气流辐合场．受高层大气热量向下输送的影响，采用MYJ边界层方案计算该区域边界层内热量、动量等湍流脉动通量的精度较高．(a)气压实测结果(b)降雨量实测结果(c)位温实测结果(d)气压模拟结果(e)降雨量模拟结果(f)位温模拟结果图1台风登陆实测与模拟结果图2给出了台风登陆前、登陆时和登陆后的速度流线图．由图可知，台风登陆前无强对流现象风向偏东北风，登陆时风向逐渐转变为东南风，过境后周围气流持续不断向台风中心辐合，风速流线并未呈现规律性的发展趋势，后期逐渐转为偏东北风．上述风速流向与台风路径发展趋势吻合度较高．(a)登陆前(b)登陆时(c)登陆后图2台风速度流线图图3给出了台风登陆时风速云图．图4给出了模拟全过程的台风路径和海平面气压图，模拟路径主要通过模式输出的每隔6h最低海平面气压所在的位置表征．由图可知，台风外围云系入侵使得风速加强，随着台风的逼近，风速越来越大．台风“鹦鹉”整体上表现为向西北移动的趋势，模拟路径与实测结果虽然存在一定的偏差，但总体上具有较好的一致性．台风强度的演变主要利用最低海平243东南大学学报(自然科学版)第49卷
http://journal．seu．edu．cn面气压来表征，在模拟时段内，台风“鹦鹉”仍处于一个十分成熟的阶段，最小海平面气压基本维持在97kPa附近．相较于实测结果，模拟后期最小海平面气压强度略有减弱，且模拟台风强度以及变化趋势与实测结果较为接近．图3台风登陆时风速云图(a)台风路径(b)最小海平面气压图4模拟全过程台风结果示意图2小尺度CFD数值模拟2．1风力机模型本文选用的5MW风力机塔架高124m，顶部直径为3．0m，底部直径为3．5m．塔架为通长变厚度结构，顶壁厚0．06m，底壁厚0．15m;机舱长18m，宽6m，高6m;风轮切出风速为25m/s，各叶片之间呈120°夹角，沿周向均匀分布．根据叶片与塔架的相对位置，考虑到三叶片体系旋转过程中存在的周期性，定义叶片与塔架完全重合时为工况1，顺时针旋转15°为1个工况，共计8个工况．此外，定义工况1中与塔架完全重合的叶片为3#叶片，顺时针旋转分别为1#和2#叶片．2．2小尺度台风模拟图5(a)给出了不同时刻台风中心附近的风速剖面．分析发现，不同时刻近地面台风风速分布较光滑，而海拔较高时风速分布较为紊乱，且2018-08-22T20:00:00的台风风速明显小于其他时刻．究其原因在于，该时刻台风已登陆，下垫面由海洋变为陆地，使得能量逐渐耗散．图5(b)给出了模拟中心区域近地面风速以及根据非线性最小二乘法原理拟合得到的台风近地面风速拟合曲线．台风和良态风拟合公式分别为VH=18．25H()100．076Ｒ2=0．9478(1)Vh=14．03h()100．15(2)式中，VH表示
【参考文献】：
期刊论文
[1]叶片停机位置对风力机塔架绕流及尾流特性影响[J]. 余玮,柯世堂,王同光. 振动与冲击. 2017(18)
[2]基于WRF的山区峡谷桥址风场数值模拟[J]. 沈炼,韩艳,董国朝,蔡春声,张建仁. 中国公路学报. 2017(05)
[3]基于大涡模拟考虑叶片停机位置大型风力机风振响应分析[J]. 柯世堂,余玮,王同光. 振动与冲击. 2017(07)
[4]0608号台风“桑美”过境前后对长江口外海域环境的影响[J]. 陈斌,王凯,刘健,高飞. 地球科学. 2016(08)
[5]从天气尺度到风力机尺度大气运动的动力模拟[J]. 李军,宋晓萍,程雪玲,胡非,朱蓉. 太阳能学报. 2015(04)
本文编号：3549819
【文章来源】：东南大学学报(自然科学版). 2019,49(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图2台风速(a)登陆前(b)登
使得气压逐渐升高，通过与实测结果对比发现，本文模拟得到的气压分布吻合度较高．台风附近云系降水属长时间对流性降水，该区域雨量较大且与台风强度和中心距离有关，采用Noah路面过程方案可较好地模拟地表通量和气流辐合场．受高层大气热量向下输送的影响，采用MYJ边界层方案计算该区域边界层内热量、动量等湍流脉动通量的精度较高．(a)气压实测结果(b)降雨量实测结果(c)位温实测结果(d)气压模拟结果(e)降雨量模拟结果(f)位温模拟结果图1台风登陆实测与模拟结果图2给出了台风登陆前、登陆时和登陆后的速度流线图．由图可知，台风登陆前无强对流现象风向偏东北风，登陆时风向逐渐转变为东南风，过境后周围气流持续不断向台风中心辐合，风速流线并未呈现规律性的发展趋势，后期逐渐转为偏东北风．上述风速流向与台风路径发展趋势吻合度较高．(a)登陆前(b)登陆时(c)登陆后图2台风速度流线图图3给出了台风登陆时风速云图．图4给出了模拟全过程的台风路径和海平面气压图，模拟路径主要通过模式输出的每隔6h最低海平面气压所在的位置表征．由图可知，台风外围云系入侵使得风速加强，随着台风的逼近，风速越来越大．台风“鹦鹉”整体上表现为向西北移动的趋势，模拟路径与实测结果虽然存在一定的偏差，但总体上具有较好的一致性．台风强度的演变主要利用最低海平243东南大学学报(自然科学版)第49卷
http://journal．seu．edu．cn面气压来表征，在模拟时段内，台风“鹦鹉”仍处于一个十分成熟的阶段，最小海平面气压基本维持在97kPa附近．相较于实测结果，模拟后期最小海平面气压强度略有减弱，且模拟台风强度以及变化趋势与实测结果较为接近．图3台风登陆时风速云图(a)台风路径(b)最小海平面气压图4模拟全过程台风结果示意图2小尺度CFD数值模拟2．1风力机模型本文选用的5MW风力机塔架高124m，顶部直径为3．0m，底部直径为3．5m．塔架为通长变厚度结构，顶壁厚0．06m，底壁厚0．15m;机舱长18m，宽6m，高6m;风轮切出风速为25m/s，各叶片之间呈120°夹角，沿周向均匀分布．根据叶片与塔架的相对位置，考虑到三叶片体系旋转过程中存在的周期性，定义叶片与塔架完全重合时为工况1，顺时针旋转15°为1个工况，共计8个工况．此外，定义工况1中与塔架完全重合的叶片为3#叶片，顺时针旋转分别为1#和2#叶片．2．2小尺度台风模拟图5(a)给出了不同时刻台风中心附近的风速剖面．分析发现，不同时刻近地面台风风速分布较光滑，而海拔较高时风速分布较为紊乱，且2018-08-22T20:00:00的台风风速明显小于其他时刻．究其原因在于，该时刻台风已登陆，下垫面由海洋变为陆地，使得能量逐渐耗散．图5(b)给出了模拟中心区域近地面风速以及根据非线性最小二乘法原理拟合得到的台风近地面风速拟合曲线．台风和良态风拟合公式分别为VH=18．25H()100．076Ｒ2=0．9478(1)Vh=14．03h()100．15(2)式中，VH表示
【参考文献】：
期刊论文
[1]叶片停机位置对风力机塔架绕流及尾流特性影响[J]. 余玮,柯世堂,王同光. 振动与冲击. 2017(18)
[2]基于WRF的山区峡谷桥址风场数值模拟[J]. 沈炼,韩艳,董国朝,蔡春声,张建仁. 中国公路学报. 2017(05)
[3]基于大涡模拟考虑叶片停机位置大型风力机风振响应分析[J]. 柯世堂,余玮,王同光. 振动与冲击. 2017(07)
[4]0608号台风“桑美”过境前后对长江口外海域环境的影响[J]. 陈斌,王凯,刘健,高飞. 地球科学. 2016(08)
[5]从天气尺度到风力机尺度大气运动的动力模拟[J]. 李军,宋晓萍,程雪玲,胡非,朱蓉. 太阳能学报. 2015(04)
本文编号：3549819
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