【摘要】：隨著全球科技及經濟文明的快速發(fā)展,全球化石能源儲備即將消耗殆盡,可再生能源的合理利用已成為當今熱點話題,風力發(fā)電是對可再生能源利用最為充分、合理的渠道之一。自然條件中,風力機無法實時追蹤時刻變化的風向,在運行過程中時常處于偏航狀態(tài);同時,低空急流對風力發(fā)電機組的影響已引起人們的關注。本文對一臺1.5MW三葉片水平軸風力機進行數值模擬研究,探究了偏航工況下低空急流對水平軸風力機氣動性能的影響,研究工作主要包括以下幾個方面:(1)分別對風切變與低空急流兩種入流條件下的風力機進行仿真計算,對比了不同工況對水平軸風力機氣動性能的影響。結果表明,在相同偏航角下,低空急流增強了葉片流動分離,增大了風輪與葉片的推力,增加了轉矩波動次數和風輪輸出功率,葉片推力隨方位角變化呈雙峰曲線分布,風輪、葉片所受氣動力與力矩均大于切變入流。(2)隨偏航角增大,兩種入流條件下風輪所受氣動力均下降,風輪功率衰減符合cos~3γ法則;低空急流下葉片流動分離現象增強,葉片推力隨方位角變化曲線的對稱性消失,葉片偏航力矩在90°方位角處峰值減小,在270°方位角處峰值增大;風輪后尾流沿橫向偏移現象愈發(fā)明顯,同時尾流膨脹效應有所減小并且尾流中心出現漸縮現象,對下游影響區(qū)域減小。(3)偏航角為15°時,探究了急流強度變化對風輪氣動性能的影響。結果表明,隨著急流強度的增強,風輪功率及推力上升,風輪與葉片所受氣動力與氣動力矩均上升,葉片表面流動分離增強。葉片前緣高速區(qū)沿弦向增長,風輪后尾流虧損有明顯改善。(4)偏航角為15°時,研究了急流寬度變化對風輪氣動性能的影響。研究表明,急流寬度變化對風輪氣動性能影響較大。隨急流寬度增大,風輪推力與功率均增大,風輪與葉片所受氣動力與氣動力矩隨方位角變化的曲線峰值逐漸減小,急流寬度為11.25m時存在異常波動。同時,葉片流動分離增強,風輪處軸向速度有所升高,葉片前緣高速區(qū)沿展向擴展。(5)對比偏航條件下不同急流高度對風輪氣動性能的影響。結果表明,急流高度變化對風輪推力及功率無明顯影響。急流高度為風輪輪轂高度時,風輪與葉片氣動力與氣動力矩峰值最大,且波動次數增加。隨急流高度上升,葉片流動分離增強,葉片推力、轉矩以及偏航力矩峰值位置向外側移動。急流高度升高對風輪后近尾流區(qū)速度虧損有所改善,但隨著尾流向下游發(fā)展,尾流虧損隨急流高度的升高而增大。
【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
【圖文】：

資源和保護環(huán)境的基本國策”�！丁笆濉惫�(jié)能減排綜合工作方案》，全國萬元國內生產總值能耗比 2015 年下降 15%，能源消費總量標準煤以內。全國化學需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放總2001 萬噸、207 萬噸、1580 萬噸、1574 萬噸以內，比 2015 年分0%、15%和 15%。全國揮發(fā)性有機物排放總量比 2015 年下降 10%現十九大報告與“十三五”規(guī)劃目標，需要優(yōu)化調整我國目前的能源結護環(huán)境，減少化石類能源的使用，加快發(fā)展新能源。曾有科學家預測球所使用的大部分能源將主要包括風能、潮汐能、太陽能、核能、氫其中風能是安全度最高，成本最低廉，技術相對成熟的新綠色環(huán)保能來最有前途的可再生能源之一，風力發(fā)電是我國未來經濟發(fā)展的關，全球風電市場裝機量累計高達 591GW。其中 2018 年，我國風電新00 萬千瓦，累計裝機容量達到 2.1 億千瓦[4]�！讹L電發(fā)展“十三五” 2020 年底，風電累計并網裝機容量確保達到 2.1 億 kW 以上，其網裝機容量達到 500 萬 kW 以上；風電年發(fā)電量確保達到 4200 億國總發(fā)電量的 6%[5]。

偏航工況下低空急流對水平軸風力機氣動性能的影響國地域遼闊，氣候復雜多樣，蘊含的風資源十分豐富。中國氣象科學研究資源進行評估得出，全國范圍內可用于風力發(fā)電的風能資源高達 11 億千8 億千瓦來源于陸地，7.42 億千瓦來源于海洋[6]。為提高我國發(fā)電總量，戰(zhàn)略行動計劃(2014-2020 年)》中明確指出要以南方和中東部地區(qū)為重展分布式發(fā)電，穩(wěn)步發(fā)展海上風電[7]。力機在大氣邊界層中運行，會受到復雜入流的影響，同時還會受到、地形等因素的干擾[8]。在風力機設計、性能計算和壽命評估的過程中考慮這些復雜來流對風力機所帶來的影響，而不是簡單地在輪轂高度風速進行評估。依據穩(wěn)定條件，可將大氣邊界層分為三大類，即穩(wěn)定，中性大氣邊界層以及不穩(wěn)定大氣邊界層[9]。大氣邊界層時刻在變化機在正常運行的過程中來流會變得十分復雜。

收斂的角度對網格無關性進行了驗證，同時為了保證數值計算的準確性，通過比較數值計算和實驗結果對數值方法做了驗證。2.1 風力機偏航空氣動力學基礎2.1.1 風力機偏航動量理論直接將動量定理應用在代替偏航風力機風輪的致動盤上是不合理的，理由如下。因為動量定理只能確定平均誘導速度。在軸流工況下誘導速度允許在徑向上存在一定的變化。然而在偏航工況下葉片環(huán)量也隨著風力機葉片方位角不斷變化。假設作用在風輪上的作用力垂直于風輪平面，那么平均誘導速度必定也垂直于風輪平面（即與風力機風輪旋轉軸方向平行）。因為受到與來流方向正交方向誘導速度分量的影響，尾流會向一側偏斜。所以與軸流工況相同，作用在風輪平面上的平均誘導速度為風輪尾跡區(qū)域的一半[56]。處于偏航狀態(tài)下的風輪，假設風輪偏航角為 γ，如圖 2.1，令其軸向動量變化率和流經風輪平面的質量流量變化率與垂直于風輪平面的速度變化率之積相等。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 石亞麗;左紅梅;楊華;周捍瓏;沈文忠;;偏航角對風力機氣動性能的影響[J];農業(yè)工程學報;2015年16期

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3 仇永興;康順;;基于自由渦方法的風輪偏航氣動特性研究[J];空氣動力學學報;2015年02期

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5 劉鴻波;何明洋;王斌;張慶紅;;低空急流的研究進展與展望[J];氣象學報;2014年02期

6 黎作武;賀德馨;;風能工程中流體力學問題的研究現狀與進展[J];力學進展;2013年05期

7 徐浩然;楊華;朱衛(wèi)軍;劉超;;偏航工況下水平軸風力機葉片氣動變形數值模擬研究[J];可再生能源;2013年05期

8 陳佳慧;王同光;;偏航狀態(tài)下的風力機葉片氣彈響應計算[J];南京航空航天大學學報;2011年05期

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10 何建中;邊界層低空急流超地轉特征的數值研究[J];南京氣象學院學報;1992年03期

本文編號：2766574