本文關鍵詞：風電機組尾流干涉效應數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：風電機組尾流效應主要帶來兩方面問題：一是尾流區(qū)風速降低造成尾流區(qū)內(nèi)風電機組發(fā)電量損失；二是湍流度增加影響風電機組的氣動性能和疲勞載荷,降低機組使用壽命,兩者均對風電場經(jīng)濟效益造成了嚴重的負面影響。尾流干涉效應由多臺機組自由發(fā)展尾流在下游疊加形成,具有更強的流動復雜性,對下游機組更具影響,是當前風電場尾流研究的熱點和難點。圍繞該問題,開展了單臺、兩臺和多臺風電機組的三維計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)數(shù)值試驗,重點研究了機組下游尾流流場分布及其對機組主要性能參數(shù)的影響規(guī)律,主要工作和成果如下：(1)自由發(fā)展尾流效應數(shù)值模擬風電機組自由尾流研究是尾流干涉研究的基礎。以美國可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL) 5MW大型海上風電機組為研究對象,建立了整機全尺度三維多塊子域結(jié)構網(wǎng)格計算模型,充分考慮了機艙和塔筒對下游流場的影響,在指數(shù)律風切變來流下,開展了定常和非定常數(shù)值試驗,結(jié)果與NREL報告結(jié)果進行了對比,驗證了模型的可靠性。重點研究了網(wǎng)格拓撲結(jié)構對尾流數(shù)值試驗結(jié)果的影響,討論了數(shù)值模擬方法對尾流數(shù)值試驗結(jié)果的影響,揭示了風切變來流條件下,不同來流風速對尾流發(fā)展的影響規(guī)律。結(jié)果表明：高精度的結(jié)構化網(wǎng)格拓撲模型在研究尾流問題中具有明顯優(yōu)勢；相對于非定常數(shù)值模擬,定常數(shù)值模擬在捕捉流場細節(jié)方面存在劣勢,然而在提供工程上需要的機組參數(shù)和流場速度分布方面區(qū)別并不明顯；來流風速大有助于機組下游各個方向的速度恢復。(2)全尾流干涉和部分尾流干涉效應數(shù)值模擬兩臺機組尾流干涉是最簡單的干涉形式,同時具有很強的代表性,能夠充分反映兩種典型的干涉效應,即全尾流干涉和部分尾流干涉,是多尾流干涉效應研究的基礎。以兩臺NREL 5MW大型海上風電機組為研究對象,建立了兩種典型布機方式下的整機三維全尺度結(jié)構網(wǎng)格計算模型,在風切變來流下,開展了非定常數(shù)值試驗。對比研究了兩種典型尾流干涉效應對流場速度分布和機組性能的影響。結(jié)果表明：全尾流干涉效應對下游機組的出力影響更大；部分機組尾流干涉效應對機組載荷影響更為明顯,下游機組的推力系數(shù)隨著方位角變化無法再呈現(xiàn)出“三葉草”形狀,周期性被破壞；兩種尾流干涉效應均對尾流的影響范圍產(chǎn)生了擴張作用。(3)多尾流串列干涉效應數(shù)值模擬多尾流串列干涉是風電場中最常見的形式,此時,上游機組對下游機組的影響最大。以愛荷華州立大學(Iowa State University, ISU)風洞試驗機組模型為研究對象,建立了5臺機組串行排布的三維結(jié)構網(wǎng)格數(shù)值模型,在3種入流條件下開展了定常數(shù)值試驗,通過與試驗值對比驗證了多臺機組串列模型的可靠性。主要探討了不同下游位置的機組性能變化,總結(jié)了不同大氣邊界層入流條件對尾流干涉效應的影響規(guī)律。結(jié)果表明：入流湍流度越高,風切變指數(shù)越大,下游機組功率損失越小,推力系數(shù)越大；入流湍流度越高,尾流區(qū)域流場速度衰減越小,同時具有更好的速度恢復能力；機組位置對流場速度分布和機組性能參數(shù)有重要影響,尾流疊加呈非線性,第2臺機組受到影響最明顯,從第3臺機組開始,疊加影響趨于收斂。
【關鍵詞】：風電機組 尾流效應 尾流干涉 數(shù)值模擬 大氣邊界層
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM315
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符號列表13-17
• 第1章 緒論17-28
• 1.1 課題研究背景和意義17-19
• 1.1.1 課題研究背景17-18
• 1.1.2 課題研究意義18-19
• 1.2 風電機組尾流研究方法19-22
• 1.2.1 實驗研究19-21
• 1.2.2 模擬研究21-22
• 1.3 國內(nèi)外研究進展和現(xiàn)存問題22-25
• 1.3.1 風電機組尾流研究進展22-23
• 1.3.2 風電機組尾流干涉效應研究進展23-25
• 1.3.3 現(xiàn)存主要問題25
• 1.4 論文內(nèi)容和論文結(jié)構25-28
• 1.4.1 研究內(nèi)容25-26
• 1.4.2 論文結(jié)構26-28
• 第2章 數(shù)值模擬方法28-39
• 2.1 引言28
• 2.2 針對尾流研究的CFD模型28-32
• 2.2.1 幾何模型28-29
• 2.2.2 網(wǎng)格拓撲結(jié)構29-30
• 2.2.3 數(shù)值模擬方法30-32
• 2.3 數(shù)值模擬方法32-37
• 2.3.1 控制方程32-33
• 2.3.2 湍流模型33-35
• 2.3.3 旋轉(zhuǎn)區(qū)域流動模擬方法35-37
• 2.4 本章小結(jié)37-39
• 第3章 自由發(fā)展尾流效應數(shù)值模擬39-63
• 3.1 引言39
• 3.2 物理模型39-41
• 3.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件41-46
• 3.3.1 計算域41-42
• 3.3.2 網(wǎng)格劃分42-45
• 3.3.3 邊界條件45-46
• 3.4 數(shù)值模擬方法46
• 3.4.1 定常數(shù)值模擬方法46
• 3.4.2 非定常數(shù)值模擬方法46
• 3.5 算例46-47
• 3.6 網(wǎng)格拓撲結(jié)構對數(shù)值模擬結(jié)果的影響47-53
• 3.6.1 收斂結(jié)果與計算時間47-48
• 3.6.2 機組性能分析48-50
• 3.6.3 流場分析50-53
• 3.7 數(shù)值模擬方法對數(shù)值模擬結(jié)果的影響53-58
• 3.7.1 推力系數(shù)53-54
• 3.7.2 扭矩54-55
• 3.7.3 速度云圖55-57
• 3.7.4 速度分布57-58
• 3.8 風速對尾流區(qū)速度分布的影響58-62
• 3.8.1 流向尾流區(qū)速度分布58-59
• 3.8.2 垂直方向速度分布59-60
• 3.8.3 水平方向速度分布60-62
• 3.9 本章小結(jié)62-63
• 第4章 全尾流干涉和部分尾流干涉效應數(shù)值模擬63-70
• 4.1 引言63
• 4.2 物理模型63-64
• 4.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件64-66
• 4.3.1 計算域64
• 4.3.2 網(wǎng)格劃分64-65
• 4.3.3 邊界條件65-66
• 4.4 數(shù)值模擬方法66-67
• 4.5 數(shù)值模擬結(jié)果與分析67-69
• 4.5.1 機組性能分析67-68
• 4.5.2 流場速度分布68-69
• 4.6 本章小結(jié)69-70
• 第5章 多尾流串列干涉效應數(shù)值模擬70-78
• 5.1 引言70
• 5.2 物理模型70-71
• 5.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件71-73
• 5.3.1 計算域71
• 5.3.2 網(wǎng)格劃分71-72
• 5.3.3 邊界條件72-73
• 5.4 數(shù)值模擬方法73
• 5.5 算例73
• 5.6 數(shù)值模擬結(jié)果與分析73-76
• 5.6.1 機組性能分析73-75
• 5.6.2 流場速度分布75-76
• 5.7 本章小結(jié)76-78
• 第6章 結(jié)論與展望78-81
• 6.1 結(jié)論78-79
• 6.2 創(chuàng)新點79
• 6.3 展望79-81
• 參考文獻81-87
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果87-89
• 攻讀碩士學位期間參加的科研工作89-90
• 致謝90

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本文編號：461640