基于WRF与CFD嵌套的台风下大型风力机流场作用与气动力分布
发布时间：2022-02-05 02:26
针对现有土木工程领域台风理论模型过度简化的问题,首先引入基于非静力平衡欧拉方程模型的天气预报模式（WRF）对台风"鹦鹉"进行高时空分辨率模拟,然后采用多重网格嵌套技术分析台风模拟路径、气压分布、风速模式和温度范围等风场特性,并基于非线性最小二乘法拟合得到边界层风速剖面。在此基础上为系统对比台风与良态风场的差异性,设置与该台风风速剖面在B类地貌梯度高度处风速相同的良态风风速剖面,然后分别通过用户自定义函数（UDF程序）将2种风速剖面集成并作为后续小尺度CFD数值模拟的入流风场。最后,以中国东南沿海地区深圳某风电场的5 MW水平轴风力机为研究对象,揭示风力机周围速度流线和湍动能分布的作用机理,对比研究台风和良态风作用对结构表面风压分布模式和升阻力系数特性等的影响规律。结果表明:采用WRF模式可有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.118;考虑中尺度台风影响会增大叶片表面压力系数和塔筒阻力系数,其中迎风面最大增幅可达61.1%。主要结论可为此类风力机在台风环境下的荷载预测提供参考,同时加深对中/小尺度风场嵌套作用的理解。
【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
模拟全过程台风路径和最小海平面气压图
图3a给出了不同时刻台风中心附近风速剖面，分析发现不同时刻近地面台风风速分布较好而海拔较高时风速分布较为紊乱，且8月22日20:00时台风风速显著小于其他时刻，分析原因是该时刻台风已登陆深圳，而其他时刻台风均在海上。图3b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（图中Vh为h高度处的风速，h为高度，R2为拟合曲线的相关系数），经分析可知台风风速剖面指数拟合值为0.118，小于良态风气候环境下B类地貌地面粗糙度指数0.15，近地面台风场拟合效果较好（模拟精度为95.97%),10 m高度处台风风速较大且沿高度风速增长缓慢。同时为了定性及定量地比较台风与良态风风场的差异性，定义规范[20]中B类地貌梯度高度350 m处台风场与良态风场风速相等，且分别将近地面台风剖面与良态风剖面集成至用户自定义函数中，并作为后续小尺度风场CFD模拟中的初始边界条件。2 小尺度CFD数值模拟
为保证风力机尾流充分发展，计算域尺寸取流向12D×展向5D×竖向5D(D为风力机风轮直径），风力机置于距离计算域入口3D处。为兼顾计算效率和精度[21]，同时考虑到叶片外形复杂，网格划分时将计算域划分为局部加密区和外围区域，局部加密区采用非结构化网格划分，外围区域采用结构化网格划分。表3给出了不同方案下网格质量相关参数，由表3可知随着网格总数的增加，网格质量和网格歪斜度逐渐收敛，930万网格数和2840万网格数的网格质量无明显差异，综合计算精度和效率，本文选取930万网格总数作为网格划分方案。整体计算域和模型网格划分如图4所示。2.3 湍流模型选取与边界条件设置
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑到台风海况浮式风力机半潜式平台风浪流载荷动态响应及系泊性能分析[J]. 黄致谦,李春,丁勤卫,周红杰,陈福东. 动力工程学报. 2017(12)
[2]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)
[3]台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷研究[J]. 任年鑫,李炜,李玉刚. 太阳能学报. 2016(02)
[4]复杂工况下的大型风力机气动弹性响应和尾迹数值分析研究[J]. 曹九发,柯世堂,王同光. 振动与冲击. 2016(01)
[5]基于遗传算法的风力机叶片气动外形抗台风优化设计[J]. 周鹏展,龙思宏,陈瑞. 长沙理工大学学报(自然科学版). 2015(04)
[6]台风作用下风力机塔架振动响应研究[J]. 王振宇,张彪,赵艳,刘国华,蒋建群. 太阳能学报. 2013(08)
[7]风力机叶片外形设计及三维实体建模研究[J]. 张礼达,任腊春,陈荣盛,毛金铎. 太阳能学报. 2008(09)
[8]风力机塔筒抗台风设计[J]. 汤炜梁,袁奇,韩中合. 太阳能学报. 2008(04)
[9]热带气旋对风力发电的影响分析[J]. 宋丽莉,毛慧琴,钱光明,刘爱君. 太阳能学报. 2006(09)
硕士论文
[1]WRF与CFD嵌套的局地台风风场数值模拟研究[D]. 杨剑.哈尔滨工业大学 2015
[2]抗台风大型双转轮风力发电机性能研究[D]. 安源.华南理工大学 2011
本文编号：3614392
【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(12)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
模拟全过程台风路径和最小海平面气压图
图3a给出了不同时刻台风中心附近风速剖面，分析发现不同时刻近地面台风风速分布较好而海拔较高时风速分布较为紊乱，且8月22日20:00时台风风速显著小于其他时刻，分析原因是该时刻台风已登陆深圳，而其他时刻台风均在海上。图3b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（图中Vh为h高度处的风速，h为高度，R2为拟合曲线的相关系数），经分析可知台风风速剖面指数拟合值为0.118，小于良态风气候环境下B类地貌地面粗糙度指数0.15，近地面台风场拟合效果较好（模拟精度为95.97%),10 m高度处台风风速较大且沿高度风速增长缓慢。同时为了定性及定量地比较台风与良态风风场的差异性，定义规范[20]中B类地貌梯度高度350 m处台风场与良态风场风速相等，且分别将近地面台风剖面与良态风剖面集成至用户自定义函数中，并作为后续小尺度风场CFD模拟中的初始边界条件。2 小尺度CFD数值模拟
为保证风力机尾流充分发展，计算域尺寸取流向12D×展向5D×竖向5D(D为风力机风轮直径），风力机置于距离计算域入口3D处。为兼顾计算效率和精度[21]，同时考虑到叶片外形复杂，网格划分时将计算域划分为局部加密区和外围区域，局部加密区采用非结构化网格划分，外围区域采用结构化网格划分。表3给出了不同方案下网格质量相关参数，由表3可知随着网格总数的增加，网格质量和网格歪斜度逐渐收敛，930万网格数和2840万网格数的网格质量无明显差异，综合计算精度和效率，本文选取930万网格总数作为网格划分方案。整体计算域和模型网格划分如图4所示。2.3 湍流模型选取与边界条件设置
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑到台风海况浮式风力机半潜式平台风浪流载荷动态响应及系泊性能分析[J]. 黄致谦,李春,丁勤卫,周红杰,陈福东. 动力工程学报. 2017(12)
[2]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)
[3]台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷研究[J]. 任年鑫,李炜,李玉刚. 太阳能学报. 2016(02)
[4]复杂工况下的大型风力机气动弹性响应和尾迹数值分析研究[J]. 曹九发,柯世堂,王同光. 振动与冲击. 2016(01)
[5]基于遗传算法的风力机叶片气动外形抗台风优化设计[J]. 周鹏展,龙思宏,陈瑞. 长沙理工大学学报(自然科学版). 2015(04)
[6]台风作用下风力机塔架振动响应研究[J]. 王振宇,张彪,赵艳,刘国华,蒋建群. 太阳能学报. 2013(08)
[7]风力机叶片外形设计及三维实体建模研究[J]. 张礼达,任腊春,陈荣盛,毛金铎. 太阳能学报. 2008(09)
[8]风力机塔筒抗台风设计[J]. 汤炜梁,袁奇,韩中合. 太阳能学报. 2008(04)
[9]热带气旋对风力发电的影响分析[J]. 宋丽莉,毛慧琴,钱光明,刘爱君. 太阳能学报. 2006(09)
硕士论文
[1]WRF与CFD嵌套的局地台风风场数值模拟研究[D]. 杨剑.哈尔滨工业大学 2015
[2]抗台风大型双转轮风力发电机性能研究[D]. 安源.华南理工大学 2011
本文编号：3614392
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