【摘要】：隨著風能的廣泛應用以及風力發(fā)電的大力發(fā)展,越來越多的風電場在世界各地建立起來。在風機密集布置的風電場中,存在十分顯著的問題:風電場尾流速度虧損,功率輸出顯著下降,湍流流動特性大大增強。研究表明,依據(jù)風電場的布置形式以及風電場的風資源條件,當下游風機位于上游風機的全尾流區(qū)域之內(nèi)時,由于復雜的尾流效應以及尾流相互干擾效應,風電場的功率損失約為40%。因此,進行基于真實風電場布置的多風機風電場的數(shù)值模擬,研究其功率輸出特性、尾流場的復雜尾流效應以及顯著的尾流相互干擾效應,對于風電場的布置優(yōu)化以及風電場的尾流研究有著十分重要的科學意義以及工程參考價值。本文基于致動線模型,采用CFD方法數(shù)值模擬多風機風電場復雜尾流場,討論其氣動載荷輸出特性,研究風電場中復雜尾流效應以及典型尾流相互干擾效應。本文首先基于盲測實驗,對FOWT-UALM-SJTU求解器中的風電場求解模塊ALMWindFarmFoam進行數(shù)值模擬驗證,從氣動載荷輸出、尾流特性包括平均尾流速度以及平均湍流應力等特性數(shù)值驗證求解模塊進行風電場模擬的可靠性以及準確性。其次,基于串列與錯列兩種基本布置形式,對兩風機風電場進行了詳細數(shù)值模擬研究。討論了不同串列以及錯列間距對于下游風機氣動性的影響,分析了位于全尾流以及部分尾流區(qū)內(nèi)下游風機的氣動功率輸出特性。數(shù)值模擬結(jié)果表明:上下游風機縱向間距以及錯列間距對于下游風機的氣動性存在十分顯著的影響,上游風機的尾流在約五倍風輪直徑之內(nèi)區(qū)域為強尾流影響區(qū),其后為弱尾流影響區(qū)。當下游風機完全位于上游風機強尾流影響區(qū)時,尾流虧損十分嚴重,功率損失十分顯著;脫離強尾流影響區(qū)進入弱尾流影響區(qū)時,下游風機的氣動功率恢復明顯,其恢復速度約為強尾流影響區(qū)尾流恢復速度的二倍。當下游風機部分處于上游風機尾流時,功率增長加快,尾流重合區(qū)內(nèi)湍流特性明顯,尾流速度恢復加快。尾流形狀表現(xiàn)出十分明顯的非對稱性。最后,數(shù)值模擬了基于Lillgrund風電場布置形式的大型多風機風電場。詳細討論風電場中48臺風機的氣動載荷,包括氣動功率以及推力的輸出特性,復雜的尾流效應,并且對尾流的相互干擾效應進行了討論。結(jié)果表明:風機功率損失的極小值出現(xiàn)在串列布置的下游第三臺風機上,此后,由于尾流速度的逐漸恢復,位于第三臺風機下游的其他風機的功率輸出有所增加。隨著尾流處的長周期發(fā)展,下游風機的功率輸出趨向穩(wěn)定的功率比(相對于第一臺風機),約為20%。當?shù)谝慌_風機在額定工況下運轉(zhuǎn)時,尾流速度虧損最大,導致了下游多臺風機的功率輸出大幅度減小。由于顯著的尾流相互干擾效應,尾流中存在明顯的交替出現(xiàn)的尾流虧損區(qū),虧損區(qū)的交替出現(xiàn)會導致十分嚴重的葉片疲勞現(xiàn)象。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM614
【圖文】：

這樣同樣可以達到提高發(fā)電量的基本目的。多風機集群化形成大型風逡逑電場，進行集中并網(wǎng)發(fā)電是充分利用風能的有效手段。世界各國都在大力發(fā)展風逡逑電場：全球規(guī)模最大的倫敦矩陣風電場，如圖１－３所示，包含１７５臺風機，總的逡逑裝機量６３０ＭＷ［５］；位于德國的ＢＡＲＤ邋Ｏｆｆｓｈｏｒｅ邋１風電場，包含８０臺風機，總裝逡逑機量４００ＭＷ［６］；中國江蘇響水近海風電場，包含１３４臺風機，總裝機量２０１ＭＷ。逡逑研宄表明，在大型風電場中，風電場的總發(fā)電量與風機的總臺數(shù)之間并非是逡逑正比關系，甚至會出現(xiàn)嚴重的功率損失現(xiàn)象［７］。導致這一現(xiàn)象的主要原因是在大逡逑型風電場中存在十分明顯的尾流效應：風機運轉(zhuǎn)過程中會從空氣中吸收風能，作逡逑為對空氣流場的一種負反饋，在風輪平面后面會形成十分明顯的尾流。在風機尾逡逑流區(qū)內(nèi)，流場速度顯著降低，湍流度上升，對處于尾流區(qū)域之內(nèi)的下游風機會產(chǎn)逡逑生十分顯著的影響。與此同時

表１－１全球部分大型風電場概覽［１３］逡逑ｌｅ邋１－１邋Ｏｖｅｒｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｓｏｍｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ＇ｓ邋ｍａｊｏｒ邋ｗｉｎｄ邋ｆａｒｍｓ逡逑邐總裝機量（ＭＷ）邐風機邐位置１７５邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑ｙ邐６３０邐ＵＫＳＷＴ－３．６－１２０逡逑１５0ｘＳｉｅｍｅｎｓ逡逑ａｒｍ邐６００邐ＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓＳＷＴ－４．０逡逑９７邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑邐５８２邐ＧｅｒｍａｎｙＳＷＴ－６．０－１５４逡逑２０１邐１３４ｘｌ．５ＭＷ邐Ｃｈｉｎａ性研究現(xiàn)狀逡逑，

逑ｍａｍ逡逑圖１－３倫敦矩陣風電場［１２］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｌｏｎｄｏｎ邋ａｒｒａｙ邋ｗｉｎｄ邋ｆａｒｍ逡逑表１－１全球部分大型風電場概覽［１３］逡逑Ｔａｂｌｅ邋１－１邋Ｏｖｅｒｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｓｏｍｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ＇ｓ邋ｍａｊｏｒ邋ｗｉｎｄ邋ｆａｒｍｓ逡逑風電場名稱邐總裝機量（ＭＷ）邐風機邐位置邐完成時間逡逑１７５邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑Ｌｏｎｄｏｎ邋Ａｒｒａｙ邐６３０邐ＵＫ邐２０１２逡逑ＳＷＴ－３．６－１２０逡逑１５0ｘＳｉｅｍｅｎｓ逡逑Ｇｅｍｉｎｉ邋Ｗｉｎｄ邋Ｆａｒｍ邐６００邐Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ邐２０１７逡逑ＳＷＴ－４．０逡逑９７邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑Ｇｏｄｅ邋Ｗｉｎｄ邐５８２邐Ｇｅｒｍａｎｙ邐２０１７逡逑ＳＷＴ－６．０－１５４逡逑江蘇響水邐２０１邐１３４ｘｌ．５ＭＷ邐Ｃｈｉｎａ邐２０１０逡逑１．２風機氣動性研究現(xiàn)狀逡逑在風電場中風機的氣動性起著十分重要的作用，準確研宄風電場中風機氣動逡逑性可以為風場的布置優(yōu)化以及風機的結(jié)構設置提供一定的依據(jù)。目前來說，針對逡逑于風機氣動性的研究，國內(nèi)外比較主流的數(shù)值模擬方法主要有葉素動量理論方法、逡逑基于體積力的致動方法以及基于真實風機模型的數(shù)值模擬方法。本小節(jié)主要就以逡逑上幾種數(shù)值模擬方法進行相關的國內(nèi)外的研宄現(xiàn)狀的綜述。逡逑１．２．１葉素動量理論逡逑葉素動量理論是最經(jīng)典的風機氣動性計算方法之一。葉素動量理論（Ｂｌａｄｅ逡逑Ｅｌｅｍｅｎｔ邋Ｍｏｍｅｎｔｕｍ邋Ｍｅｔｈｏｄ，邋ＢＥＭ）最早由邋Ｇｌａｕｅｒｔ邋提出［１４］，其計算效率高，可逡逑以充分節(jié)約計算資源

【參考文獻】

相關期刊論文 前8條

1 卞鳳嬌;徐宇;王強;宋娟娟;徐建中;;改進致動面模型的多風力機尾流研究[J];工程熱物理學報;2015年06期

2 許昌;韓星星;王欣;劉德有;鄭源;SHEN Wenzhong;張明明;;基于改進致動盤和拓展k-ε湍流模型的風力機尾流數(shù)值研究[J];中國電機工程學報;2015年08期

3 劉穎;嚴軍;;基于葉素動量理論的水平軸風力機葉片設計方法[J];蘭州理工大學學報;2014年06期

4 王勝軍;張明明;王強;徐建中;;新型風力機致動面模型研究[J];工程熱物理學報;2013年08期

5 田琳琳;趙寧;鐘偉;;風力機尾流相互干擾的數(shù)值模擬[J];太陽能學報;2012年08期

6 李少華;王東華;岳巍澎;李龍;王恒;;雙風力機風向變化時尾流及陣列數(shù)值研究[J];動力工程學報;2011年10期

7 曾慶川;劉浩;LIM Che Wah;羅維奇;楊云勝;;基于改進葉素動量理論的水平軸風電機組氣動性能計算[J];中國電機工程學報;2011年23期

8 曾利華;王豐;劉德有;;風電場風機尾流及其迭加模型的研究[J];中國電機工程學報;2011年19期

相關博士學位論文 前2條

1 沈志榮;船槳舵相互作用的重疊網(wǎng)格技術數(shù)值方法研究[D];上海交通大學;2014年

2 王勝軍;基于致動線模型的風力機尾流特性研究[D];中國科學院研究生院(工程熱物理研究所);2014年

相關碩士學位論文 前3條

1 周瑞濤;基于致動面模型的風電場尾流特性模擬研究[D];中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所);2017年

2 卞鳳嬌;基于三維改進致動面模型的風力機尾流特性研究[D];中國科學院研究生院(工程熱物理研究所);2015年

3 任會來;基于致動盤模型的風力機尾流流場數(shù)值模擬[D];華北電力大學;2014年

本文編號：2781241