發(fā)布時間：2020-04-06 13:54

【摘要】：隨著環(huán)境污染、能源緊缺等問題日益嚴重,風電場的建設規(guī)模越來越大,風電場中的風力機數(shù)量越來越多。由上游風力機尾效應造成的下游風力機疲勞載荷增加,風場功率損失等問題也日益突出。因此本文將以NREL 5 MW風力機作為研究對象,采用變轉(zhuǎn)速控制方式,基于OpenFOAM開源軟件,使用致動線和大渦模擬相結合的方法,研究風電場中上游風力機尾流對下游風力機風輪氣動性能的影響。主要研究工作包括以下三部分:第一部分,對致動線方法的網(wǎng)格尺度(η)和高斯分布因子(ε)的取值規(guī)律做了研究,發(fā)現(xiàn)兩者的取值規(guī)律滿足關系式ε=k·η,當η取值越大時,k取值應越小;針對本文計算問題,確定了η和ε的取值,計算區(qū)域比較小時,η取2.5m,ε取1.6η。計算區(qū)域比較大時,η取5m,ε取1.2η;在以上結論的基礎上,以風輪功率誤差和風力機轉(zhuǎn)速誤差為評價標準,對數(shù)值方法做了驗證;第二部分,在理想入流條件下,首先研究了不同葉尖速比下風力機的尾流特性。發(fā)現(xiàn)風力機尾流速度虧損主要集中在風輪后葉片中間對應的位置;隨著葉尖速比減小,尾流速度恢復變慢,由風輪阻滯效應造成的尾流膨脹減小,流場中渦量耗散減慢,向后推移的距離也越長;在風力機尾流場中,渦量值大的位置,大渦粘度、亞格子動能比較大,亞格子應力也比較大;其次,研究了通過控制上游風力機尾跡使其發(fā)生傾斜或偏移,提高風電場功率輸出的策略。發(fā)現(xiàn)上游風力機存在偏航角或兩臺風力機存在輪轂高度差,均可提高兩臺風力機的總功率輸出;最后在額定風速下研究了上游風力機傾斜尾流或偏移尾流對下游風力機的推力、轉(zhuǎn)矩以及葉片軸向力和切向力的影響。發(fā)現(xiàn)上游風力機尾跡改變后,下游風力機載荷的平均值和振幅均明顯增大。通過分析上游風力機在不同偏航角下,下游風力機葉片在0.3R、0.6R、0.9R處的軸向力和旋轉(zhuǎn)切向力,發(fā)現(xiàn)隨著上游風力機偏航角增大,軸向力和切向力都在增大,增大到一定值后,保持恒定,最大值對應的方位角區(qū)間增大,最小值對應的方位角區(qū)間減小,并且最小值對應的方位角區(qū)間內(nèi),有軸向力和旋轉(zhuǎn)切向力急劇變大的現(xiàn)象;通過分析不同輪轂高度差時,葉片在0°、60°、120°和180°位置處受到的軸向力和切向力,發(fā)現(xiàn)隨著輪轂高度差增大,葉片受上游風力機尾流的影響減小。葉片處于尾流區(qū)和非尾流區(qū)時,軸向力和切向力變化明顯。第三部分,在自然入流條件下,首先考慮大氣浮力、科里奧利力和地表熱通量,模擬了3000*3000*1000 m~3的大氣邊界層。在覆蓋逆溫層以下,位溫在垂向上不發(fā)生變化,平均風速在垂向上呈現(xiàn)出剪切特性;大氣邊界層中各點的風速和風向呈現(xiàn)出脈動特性。脈動風速滿足湍流譜特性,在慣性子區(qū)滿足-5/3能量遞減規(guī)律;其次在大氣邊界層中布置了距離為6D的兩臺風力發(fā)電機,發(fā)現(xiàn)風場中的風力機隨時間的變化,功率、推力和轉(zhuǎn)矩是隨機變化的,但總體趨勢滿足正弦分布,并且下游風力機平均功率、推力、轉(zhuǎn)矩均小于上游風力機,但變化振幅大于上游風力機。對上、下游風力機氣動載荷做頻譜分析,發(fā)現(xiàn)風輪氣動載荷的能量集中時,對應的頻率與葉片數(shù)有關;最后,在風電場中布置了8臺風力機,對風場的流場和各風力機的氣動特性做了研究。額定風速以前,隨著風速增大,風場的功率損失也越來越大。各風力機的功率、推力、轉(zhuǎn)矩呈正弦波形式變化,并且后排風力機功率的振幅明顯高于第一排風力機,從第二排開始,風力機振幅有下降的趨勢。本課題涉及到的研究內(nèi)容、方法和結果對風電場微觀選址具有參考作用。
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TK83

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