發(fā)布時間：2019-04-21 08:55

【摘要】：嚴重影響風電場經濟效益和安全運行的風力機尾流效應會導致下游風力機發(fā)電功率降低和疲勞載荷增大,是風電場微觀選址工作中必須考慮的因素。風力機尾流效應主要受來流風況、地形地貌和風力機排布方式的影響,本文主要通過數(shù)值模擬和風洞實驗研究了均勻入流、切變入流、湍流入流及多臺風力機相互干涉尾流等不同風況下風力機的尾流特性,將有助于更準確的了解風力機尾流發(fā)展變化規(guī)律,為風電場微觀選址、風力機功率預測等工作提供幫助。由于致動線模型利用體積力模擬風力機葉片,從而不需要建立實體網(wǎng)格、降低了網(wǎng)格劃分難度并提高了計算速度。本文選擇致動線模型作為風力機尾流特性數(shù)值研究方法,首先綜合考慮各種修正因素影響開發(fā)了基于商業(yè)CFD軟件ANSYS FLUENT平臺的致動線模型,并首次在致動線模型中考慮了體積力模擬的機艙和塔架對于風力機尾流流場的影響,提高了致動線模型的計算精度。然后基于風力機氣動性能參數(shù)和尾流流場細節(jié)確定了主要影響因素：三維高斯分布光順參數(shù)應不小于2倍網(wǎng)格尺寸,時間步長應根據(jù)CFL數(shù)不大于1確定。通過對比致動線模型數(shù)值結果與NREL phase Ⅵ風力機全尺寸實體網(wǎng)格大渦模擬計算結果及IET風洞內風力機模型尾流測量結果,發(fā)現(xiàn)所開發(fā)的致動線模型可用于研究風力機尾流特性。針對均勻入流風況,本文利用致動線模型對NREL phase Ⅵ風力機尾流特性進行了數(shù)值研究,同時利用熱線風速儀測量了中國科學院工程熱物理研究所低速風洞內風力機模型的尾流特性,結果表明：塔架對氣流的阻塞效應導致風力機轉子下側區(qū)域速度虧損和湍流強度增大,風力機近尾流特性研究不能忽略機艙和塔架影響；葉片數(shù)增加,風力機功率和推力增加,同時尾流區(qū)速度虧損增加、湍流強度增大、尾流恢復速度加快；隨著遠離轉子,尾流區(qū)內速度虧損和湍流強度逐漸減小,通過合理選擇風力機間距可以增大風力機發(fā)電功率和降低疲勞載荷。針對切變入流風況,本文利用致動線模型研究了切變入流風況下NREL phase Ⅵ風力機尾流特性,結果表明：壁面的阻礙效應及風切變效應導致尾流區(qū)上側速度虧損大于下側,尾流區(qū)速度分布沿轉子中心不對稱；尾渦上部移動快,下部移動慢,導致尾渦發(fā)生傾斜。針對湍流入流風況,本文首先通過同時修正標準k-ε模型和修正壁面剪切應力建立了具有自平衡性的湍流入流風況,然后對風力機尾流特性進行了數(shù)值研究,結果表明：由于高湍流強度的影響,湍流入流風況下風力機尾流恢復速度遠遠大于切變入流和均勻入流風況；湍流強度是影響風力機尾流恢復的最重要因素。針對多臺風力機相互干涉尾流入流風況,本文利用致動線模型進行了數(shù)值研究,結果表明：當下游風力機完全位于上游風力機尾流區(qū)內時,風力機整體速度虧損最大,功率和推力最小,此時尾流流場相互疊加導致下游風力機速度虧損和湍流強度增大,尾流流場迅速膨脹,同時尾流恢復速度加快；當下游風力機部分位于尾流區(qū)時,風力機功率和推力開始增大,但波動隨之增強。最大湍流強度發(fā)生在下游風力機轉子中心與上游風力機尾流區(qū)邊界處重合時,此時下游風力機轉子速度梯度最大,載荷波動最劇烈,這將嚴重影響風力機疲勞載荷。針對嚴重影響我國東南沿海風電場的熱帶氣旋,本文首次利用尖劈和內六角螺栓粗糙元配合在風洞內生成了反映熱帶氣旋特征的大氣邊界層廓線,并測量了風力機模型的尾流特性,發(fā)現(xiàn)：尾流區(qū)速度沿轉子中心線非對稱分布,但速度虧損基本對稱分布；熱帶氣旋作用下風力機尾流經過3D距離基本恢復。
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【學位授予單位】：中國科學院研究生院(工程熱物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM315

【參考文獻】

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本文編號：2462033