風力機組的尾流效應(yīng)正嚴重影響著風電場的整體發(fā)電效率,應(yīng)用CFD(計算流體力學)方法深入研究風力機尾流模型是現(xiàn)階段風能工程中具有前瞻性的課題。本文通過RANS(雷諾平均)數(shù)值方法模擬了風力機尾流的速度場和湍流場信息。在尾流建模方面,本文開發(fā)了基于RANS方法的風力機尾流模型。首先建立了RANS方法的整體控制方程組。接著,利用BEM(葉素動量氣動理論)和Fuzzy(模糊)分布方法,通過修正葉尖、輪轂損失效應(yīng)和攻角偏移現(xiàn)象,建立了BEM-Fuzzy風力機修正模型,作為體積力源項加入整體方程組。最后,通過添加保持源項、改變參數(shù)及降低耗散項的方式,建立了SST k-ω湍流修正方程組,完成了風力機尾流模型的總體建模工作。在模型方程求解方面,本文基于Fluent 6.0求解平臺的SIMPLE(壓力耦合半隱式)算法求解了風力機尾流模型方程組。設(shè)計了變尺寸規(guī)則六面體網(wǎng)格,有效降低了網(wǎng)格數(shù)量,并使得計算結(jié)果更加平滑;利用自適應(yīng)松弛因子方法,有效減少了迭代收斂步驟;使用Fluent并行技術(shù),有效減少了收斂時間步長。在求解實驗設(shè)計方面,本文考慮了均勻入流和風切變?nèi)肓鲀煞N不同邊界條件,通過與丹麥風電場和微尺寸風力機的測量數(shù)據(jù)對比,得到了正確有效的速度場和湍流場的計算結(jié)果,驗證了風力機模型與湍流模型的修正項對近、遠尾流區(qū)域內(nèi)速度場和湍流場的影響程度,并評估了尾流模型的計算速度。
【學位單位】：沈陽工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O35
【部分圖文】：

能源、環(huán)境、氣候面臨危機，可持續(xù)發(fā)展勢在必行，發(fā)展風能具備獨特優(yōu)勢[1]。、天然氣、煤炭等不可再生能源已經(jīng)服務(wù)了人類 19、20 兩個世紀的經(jīng)濟社會發(fā)而，此類能源的不可再生性和人類對其的持續(xù)消耗性，使得不可再生能源的儲存漸枯竭，同時也造成了環(huán)境的惡性變化和嚴重污染。2010 年以后，環(huán)境、氣候惡化呈現(xiàn)出愈來愈劇烈的趨勢，中國 GDP 總量雖然已經(jīng)達到世界第二，但在高速發(fā)同時也帶來了巨大的能源消耗，各項環(huán)境、氣候指標下滑明顯，成為了中國目前經(jīng)持續(xù)發(fā)展道路的一大障礙。新世紀以后，世界各國陸續(xù)發(fā)布了不可再生能源耗損損標準，丹麥宣布 2050 年以后將全面使用可再生能源。而中國作為發(fā)展中國家的物排放大國，則承諾到 2020 年，單位 GDP 能耗在 2005 年的基礎(chǔ)上降低 40%-50之而來的是可再生能源法相繼出臺，綠色 GDP 考核指標提上發(fā)展日程。在可再生領(lǐng)域，相比太陽能、地熱能等其他可再生能源，作為技術(shù)最成熟、最具有規(guī)模化開景和商業(yè)化發(fā)展前景的風能成為許多國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點，于最近數(shù)十年間界范圍內(nèi)得到了相當廣泛的應(yīng)用和可觀速度的發(fā)展。

所要研究的尾流問題。世界風能協(xié)會長賀德馨指出了目前風場流場研究現(xiàn)狀及取得的進展，其中主要包括風力機氣動彈性、風力機尾流干擾、局部復雜地形影響及微觀選址、大氣邊界層風特性、海上風力發(fā)電的基礎(chǔ)、風力機翼型族及水力作用等問題[6]。為得到更高發(fā)電量，除了需要使風電機組不斷大型化，風力發(fā)電機單臺容量不斷提升之外，還需擴大更大規(guī)模的風電場風力機數(shù)量布置，但限于土地因素和地形條件，陸地風電場規(guī)模受到很大限制。在有限的土地面積內(nèi)可以通過增加風力機數(shù)量來獲得更多發(fā)電量，但有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：在風電場的尾流效應(yīng)作用下，風力機數(shù)增加未必與發(fā)電量X椉誘認喙兀狽緦锏僥騁皇亢�，肪對机的X椉佑敕緄緋》⒌縲食矢罕認喙豙7]。由于風力機利用風速度產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為機械能，因而空氣通過風力機轉(zhuǎn)子時產(chǎn)生動能損失，那么會在下游形成風速下降、湍流強度增大的區(qū)域，該區(qū)域被稱為尾流區(qū)。風力機相互之間的距離愈近，尾流效應(yīng)就愈加明顯，即上游風力機對下游風機影響愈加顯著，這樣的現(xiàn)象效應(yīng)就被稱為尾流效應(yīng)。圖 1.2 所示為 2008 年飛行員在丹麥Horns Frev 近海風電場所拍攝的風力機圖片，在圖中可以清楚看到后排風力機位于前排的風力機尾流區(qū)內(nèi)[8]。

a ECN 風場 b Nibe 風場圖 2.1 實際風場下的風力機實驗Fig. 2.1 Wind turbine experiments in actual wind field該風電場內(nèi)共安裝了四臺測風設(shè)備（MM），風電場內(nèi)所以裝置的設(shè)置布局如圖 b所示。其中紅色圓圈代表風力機，藍色三角塊則代表測風設(shè)備，風力機的風輪直徑為40m。除控制方法不同外，NibeA 和 NibeB 兩組風力機狀況基本相同，其中 NibeB 風力機數(shù)據(jù)將用于后節(jié)中的風力機尾流數(shù)值模擬。2.1.2 尾流特性研究Wind shear effectFlow variationmaximumFlow variationminimumShear layerTurbulent mixing zoneIdeal assumption:Axial symmetryZero pressure gradientGaussian distribution

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