臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致當(dāng)處于不同臺風(fēng)生命周期時風(fēng)力機(jī)的風(fēng)荷載特性差異巨大,目前針對風(fēng)力機(jī)臺風(fēng)過境全過程風(fēng)荷載的研究尚屬空白。本文在總結(jié)國內(nèi)外臺風(fēng)實測研究成果的基礎(chǔ)上,提出了一種針對風(fēng)力機(jī)的臺風(fēng)過境全過程風(fēng)場模擬方法。以美國可再生能源實驗室5MW風(fēng)力機(jī)為例,系統(tǒng)研究了臺風(fēng)過境全過程大型水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)荷載分布特性。結(jié)果表明,本文搭建的風(fēng)力機(jī)臺風(fēng)過境全過程風(fēng)場模擬方法可有效重現(xiàn)臺風(fēng)過境時風(fēng)力機(jī)的全過程風(fēng)荷載特征。臺風(fēng)眼壁干擾階段的風(fēng)力顯著大于其它臺風(fēng)過境階段,需要注意的是,臺風(fēng)眼過后的后眼壁階段的臺風(fēng)影響仍然十分顯著,葉片和塔架的彎矩極值分別達(dá)到前眼壁階段的92.83%和93.97%。此外,研究發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)外圍干擾階段（前后）和臺風(fēng)眼影響階段的塔筒底部以縱向彎矩為主,而眼壁干擾階段存在橫風(fēng)向彎矩占據(jù)主導(dǎo)地位的情況,大型風(fēng)力機(jī)抗臺風(fēng)設(shè)計的關(guān)注點應(yīng)與正常停機(jī)工況區(qū)別對待。本文研究結(jié)論可為進(jìn)一步研究大型風(fēng)力機(jī)抗強臺風(fēng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)輸入和參考依據(jù)。 

【文章來源】：空氣動力學(xué)學(xué)報. 2020,38(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

風(fēng)力機(jī)臺風(fēng)過境全過程風(fēng)荷載分析方法

其中，Um(i）和Wm(i）為依據(jù)臺風(fēng)實測數(shù)據(jù)[13]確定的分階段臺風(fēng)順風(fēng)向平均風(fēng)速和上升氣流平均速度，k=1,2,3,4,5分別代表處于臺風(fēng)外圍渦旋前緣、前眼壁強風(fēng)、臺風(fēng)眼、后眼壁強風(fēng)和外圍渦旋后緣影響階段，分別用FOVS(Front Out-vortex Stage）、FEWS(Front Eye-wall Stage）、TES(Typhoon Eye Stage）、BEWS(Back Eye-wall Stage）和BOVS(BackOut-vortex Stage）代表（圖2）。此外，橫風(fēng)向風(fēng)速分量V(t）被假設(shè)為零均值，因此V(t）僅包括脈動風(fēng)速v(t）。臺風(fēng)過境過程中，由于臺風(fēng)的強對流作用以及其本身結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致臺風(fēng)與常態(tài)風(fēng)剖面不同，且不同階段臺風(fēng)風(fēng)場之間差異十分顯著�；贔ranklin和Powell的臺風(fēng)實測研究結(jié)果，文獻(xiàn)[16]提出了考慮空間影響的預(yù)測定向臺風(fēng)平均風(fēng)速剖面的數(shù)值方法。此外，基于慣性子區(qū)的脈動風(fēng)速譜一般形式，大量大氣中性層結(jié)下的經(jīng)驗風(fēng)速譜模型在此基礎(chǔ)上被提出，并廣泛應(yīng)用于不同國家的抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范中，這些經(jīng)驗譜模型可統(tǒng)一表達(dá)為六參數(shù)脈動風(fēng)速譜廣義模型，如式（3）所示：

以現(xiàn)階段較具有代表性的大型風(fēng)力機(jī)之一NREL5 MW機(jī)型為例研究。本文所采用風(fēng)場實測數(shù)據(jù)來源于“中國風(fēng)能資源詳查與評估”項目在南中國海建立的測風(fēng)塔測量數(shù)據(jù)，基于收集的62個臺風(fēng)觀測案例[15]分析可知，臺風(fēng)影響存在極大的特異性，臺風(fēng)各典型階段的最大基本風(fēng)速和作用尺度差異顯著。選取觀測中出現(xiàn)的最大平均風(fēng)速60 m/s作為FEWS順風(fēng)向初始風(fēng)速，BEWS順風(fēng)向初始風(fēng)速為55m/s，外圍影響階段（FOVS和BOVS）和TES順風(fēng)向初始風(fēng)速分別取為25m/s和12m/s。此外，W(t）在外圍影響階段、眼壁影響階段和TES分別取為-2m/s、5m/s和-5m/s。風(fēng)速模擬過程中來流平面劃分為1024個節(jié)點，每間隔6m設(shè)置一個網(wǎng)格點，網(wǎng)格和風(fēng)力機(jī)相對位置如圖3所示。圖4列舉了不同臺風(fēng)影響階段風(fēng)力機(jī)輪轂位置處的脈動風(fēng)速時程，圖中std代表根方差值。輪轂處脈動風(fēng)速時程在不同影響階段存在差異顯著的脈動特征。以順風(fēng)向為例，當(dāng)臺風(fēng)處于眼壁強風(fēng)影響時（包含F(xiàn)EWS和BEWS），順風(fēng)向風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差顯著大于外圍影響階段和臺風(fēng)眼階段，此時的順風(fēng)向湍流強度最大可達(dá)18%左右，這與文獻(xiàn)[15]中實測得到的南海臺風(fēng)極端情況一致。此外，TES階段下風(fēng)速沿u方向和v方向的分量具有較好的跟隨性，反映臺風(fēng)眼內(nèi)水平風(fēng)向較為穩(wěn)定，而FOVS、FEWS、BEWS、BOVS階段下風(fēng)向具有顯著的瞬變特征。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]南海近海臺風(fēng)近地層風(fēng)場特性研究[D]. 王喬喬.中國海洋大學(xué) 2013



本文編號：2983464