【摘要】：風(fēng)力機(jī)尾流干涉效應(yīng)可直接導(dǎo)致風(fēng)場中風(fēng)力機(jī)群工作效率的大幅度降低并會(huì)影響葉片的使用壽命。而風(fēng)力機(jī)所處底層大氣的無序性、非定常性以及流場自身三維性給風(fēng)力機(jī)在復(fù)雜運(yùn)行工況(如風(fēng)剪切、風(fēng)切變及偏航等)下的功率預(yù)測帶來困難,更為尾流流動(dòng)的研究帶來巨大挑戰(zhàn)。本文以O(shè)penFOAM平臺(tái)為基礎(chǔ),針對風(fēng)力機(jī)尾流特性進(jìn)行了以下研究,為提升風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)效率、優(yōu)化風(fēng)場微觀選址提供有效依據(jù)。為解決常規(guī)CFD方法對網(wǎng)格數(shù)和網(wǎng)格質(zhì)量的依賴問題,本文采用新型致動(dòng)模型研究風(fēng)力機(jī)尾流特性。致動(dòng)模型通過在N-S方程中添加體積力源項(xiàng)的形式模擬葉片對流場的作用,無需構(gòu)建真實(shí)的葉片固壁邊界,從而減少網(wǎng)格數(shù)量、降低了計(jì)算所需時(shí)間和對計(jì)算機(jī)資源的要求。首先,針對均勻入流風(fēng)況,采用致動(dòng)線模型(ALM)研究了單臺(tái)風(fēng)力機(jī)的尾流特性。同時(shí)在MRF參考系下比較分析了在不同入流風(fēng)速下的三維CFD風(fēng)力機(jī)模型尾流特性并與ALM模型的計(jì)算結(jié)果流場結(jié)果對比。結(jié)果表明：ALM模型與CFD模型下的流場速度、擬渦能等結(jié)果相比吻合較好,數(shù)值驗(yàn)證了ALM模型的可行性。繼而,對自主開發(fā)的改進(jìn)致動(dòng)面模型(IASM)進(jìn)行驗(yàn)證。針對均勻入流風(fēng)況,比較了改進(jìn)致動(dòng)面模型與CFD模型的計(jì)算結(jié)果：基于IASM模型的尾流場速度更接近CFD模型下的流場,其渦結(jié)構(gòu)與CFD模型趨勢相符。對比了IASM模型、CFD模型和NREL實(shí)驗(yàn)室公布的葉片表面壓力分布,IASM模型的預(yù)測結(jié)果與NREL實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)具有很好的一致性,驗(yàn)證了IASM模型的準(zhǔn)確性。進(jìn)而,針對剪切入流和湍流入流工況,采用IASM模型研究了風(fēng)力機(jī)尾流場特性,分析了入流工況對風(fēng)力機(jī)尾流特性的影響以及流場旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和微團(tuán)剪切效應(yīng)對流場影響的強(qiáng)弱。結(jié)果表明：剪切入流下的尾流場呈非對稱分布,輪轂旋轉(zhuǎn)軸線以上的尾流區(qū)的速度虧損強(qiáng)于軸線下部區(qū)域,而湍流工況下流場則保持對稱分布。剪切入流下葉片脫落的傾斜螺旋渦為變螺距分布,湍流入流下螺旋渦螺距不隨位置高度變化,且明顯小于剪切入流。兩種入流下的近地表層速度剪切較大且出現(xiàn)較大的連續(xù)渦面。最后,針對多臺(tái)風(fēng)力機(jī),基于IASM模型數(shù)值模擬了不同布局方式下的風(fēng)力機(jī)尾流場,對風(fēng)場中尾流干涉下的風(fēng)力機(jī)尾流特性以及風(fēng)力機(jī)布局方式對尾流特性的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：尾流干涉效應(yīng)在流場中是非線性疊加的,尾流干涉作用加速了流場的發(fā)展,使得流場渦結(jié)構(gòu)迅速破碎并實(shí)現(xiàn)流場重建。同時(shí),不同排布方式下干涉效應(yīng)對下游風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的影響并不完全相同：錯(cuò)排排布下的流場相較于串聯(lián)排布下的流場發(fā)展較快；相同排布方式下,排布間距較小的風(fēng)場中,下游風(fēng)力機(jī)尾流在離風(fēng)輪平面更近的位置出現(xiàn)紊亂的現(xiàn)象。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK83
【圖文】：

基于Ｈ維改進(jìn)致動(dòng)面模型的風(fēng)力機(jī)尾流特性研巧逡逑流輸運(yùn)到流場速度并思示葉尖滿截面，一類是從葉片模型噴射從而顯示螺旋尾跡。逡逑ｅｄｓｓｏｎＰ２喘ＶｅｒｍｅｅｒＰｓ館示的煙跡實(shí)驗(yàn)中禍核結(jié)構(gòu)清晰可見，如圖ｌ－ｌ（ａ？Ｃ）。該實(shí)驗(yàn)逡逑現(xiàn)了值得注意的現(xiàn)象：不同獎(jiǎng)距角下葉片的葉尖禍螺距角和速度不同；尾流發(fā)展一逡逑間后，后生成的螺旋禍與早前生成的螺旋鍋相遇并合并成一個(gè)新的螺旋鍋。ＮＲＥＬ逡逑室的全尺寸實(shí)驗(yàn)將噴管設(shè)置在葉尖位置ｔＷ，如圖１－１（巧，這類煙跡并不確定是否準(zhǔn)逡逑地揭示葉尖禍路徑或者葉尖區(qū)域的流線信息。逡逑

當(dāng)無窮遠(yuǎn)入流抗（截面１）流經(jīng)風(fēng)輪平面時(shí)，由于風(fēng)輪的阻礙作用流體在風(fēng)輪平面前逡逑流速降為［／NB截面２），流經(jīng)風(fēng)輪平面后再次下降為［／３（截面３）。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流逡逑管在風(fēng)輪平面后擴(kuò)張，在尾流遠(yuǎn)端穩(wěn)定速度機(jī)（截面４），如圖２－１所示。逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖２－１風(fēng)力機(jī)流管及截面（ａ）和壓力－速度演變曲線化）逡逑氣流經(jīng)過風(fēng)輪平面的速度總變化量為ＡＵ邋＝邋Ｕｏｏ邋－邋Ｕｗ，動(dòng)量變化率為速度變化量和逡逑質(zhì)量流量的乘積。沿流管方向質(zhì)量流量處處相等，考慮流管中速度疊加到自由流速的變逡逑化率，引入軸向誘導(dǎo)因子０，可１＾？得到風(fēng)輪平面的凈速度的為：逡逑１１逡逑

在半徑為ｒ、弦長為Ｃ的葉素平面ｒ邋Ｗ，ｚＪ內(nèi)，當(dāng)?shù)兀郑颍�！二如＋邋腳－Ｖ目ｆ表示慣性參考系下的軸向速度；Ｆｅ表示慣性參考系下的切向速度距角，口為相對和速度與旋轉(zhuǎn)面之間的夾角，表示為＜？邋＝邋ｔａｎ－１的翼段所受的升力和阻力分別為：逡逑ＳＬ邋二邋＾ｐｃｖｈＣｕＳｒ逡逑’邐１ＳＤ邋＝邋－ｐｃｖｌｅｉＣｄＳｒ逡逑－邐厶逡逑力和阻力分R%投影到流向方向，翼段的軸向力表示為：逡逑式Ｌ邋ＣＯＳ少＋《公ｓｉｎ邋＾邋ｉ邐ＣＯＳ方＋邋Ｃ凸ｓｉｎsE加環(huán)上所受軸向力為圓盤壓降和切向速度附加的軸向力么和，引入

【參考文獻(xiàn)】

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1 王強(qiáng);徐宇;王勝軍;徐建中;;風(fēng)力機(jī)黏性無黏耦合氣動(dòng)模型研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2013年04期

2 ;Large-scale wind turbine blade design and aerodynamic analysis[J];Chinese Science Bulletin;2012年05期

3 王豐;劉德有;曾利華;陳守倫;陳星鶯;;大型風(fēng)電場風(fēng)機(jī)最優(yōu)布置規(guī)律研究[J];河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年04期

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1 王強(qiáng);水平軸風(fēng)力機(jī)三維空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型研究[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2014年

2 許波峰;基于渦尾跡方法的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

3 劉磊;風(fēng)力機(jī)葉片非定常氣動(dòng)特性的研究[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2012年

4 范忠瑤;風(fēng)力機(jī)定常與非定常氣動(dòng)問題的數(shù)值模擬研究[D];華北電力大學(xué)（北京）;2011年

本文編號(hào)：2761000