現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)處于貼近地表的大氣邊界層流場(chǎng)內(nèi),大氣邊界層中的非均勻、非定常流動(dòng)直接影響著風(fēng)力機(jī)的發(fā)電質(zhì)量,同時(shí)對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片穩(wěn)定性、安全性都有很重要的影響。這其中兩個(gè)關(guān)鍵的物理過程對(duì)風(fēng)力機(jī)安全性至關(guān)重要,一是大氣邊界層造成的風(fēng)力機(jī)非定常載荷,即大氣邊界層對(duì)風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)的干擾;另一個(gè)是大型風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)問題。因此本文針對(duì)這兩個(gè)問題展開了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究。本文采用了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法,對(duì)不同大氣邊界層工況條件下,下游鈍體繞流的氣動(dòng)響應(yīng)問題進(jìn)行了研究。另外,本文針對(duì)三類典型的風(fēng)力機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一階固有頻率及應(yīng)力剛化效應(yīng)的研究,以此來尋求既能避免共振又能更好增加剛度性能的葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本文具體完成了以下幾個(gè)方面的工作:1、通過在風(fēng)洞內(nèi)鋪設(shè)粗糙元和尖劈來模擬大氣邊界層,測(cè)量結(jié)果表明,這種近地干擾裝置,能初步仿真出相關(guān)地形近地面大氣邊界層的速度分布及湍流狀態(tài)。2、在上述邊界層的下游放置鈍體(方柱)來模擬風(fēng)力機(jī),以此來模擬大氣邊界層對(duì)下游風(fēng)力機(jī)繞流影響。通過對(duì)干擾條件下的速度場(chǎng)及湍流強(qiáng)度分析,得到了不同大氣邊界層工況對(duì)速度和湍流強(qiáng)度分布的影響規(guī)律。3、通過對(duì)速度脈動(dòng)數(shù)據(jù)的分析,分別研究了8種工況的泰勒微尺度和湍流耗散率,總結(jié)了工況間湍流耗散率差別的原因。4、采用計(jì)算流體力學(xué)的方法,對(duì)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了計(jì)算。數(shù)值模擬的速度分布與實(shí)驗(yàn)值的分布基本一致。5、本文還研究了復(fù)合材料不同鋪層角度風(fēng)力機(jī)葉片固有頻率的影響,同時(shí)對(duì)比分析了不同葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力剛化特性的影響。本文主要采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了影響風(fēng)力機(jī)葉片安全性的兩個(gè)重要問題,一是流場(chǎng)干擾問題,由大氣邊界層帶來的氣動(dòng)載荷波動(dòng);二是葉片的振動(dòng)問題,受內(nèi)部結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料鋪層的影響。前一個(gè)問題涉及非定常、非均勻及互相干擾的高湍流流動(dòng),后一個(gè)問題涉及復(fù)合材料、應(yīng)力剛化等問題。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件、研究時(shí)間及研究者能力有限,本文僅能夠開展一些初步的研究和分析工作,同時(shí)文中出現(xiàn)的錯(cuò)誤、不當(dāng)之處,還請(qǐng)讀者諒解。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TK83
【部分圖文】：

高度越高摩擦阻力越弱，達(dá)到某一高度時(shí)摩擦阻力可忽為大氣邊界層厚度。大氣邊界層厚度與地表類型有關(guān)，一般為 5由大氣位于大氣邊界層上方，主要受氣壓梯度力和科氏力的影響而]。界層可分為兩大部分一是“近地面層”，即靠近地球表面的部分，界層厚度的 10%至 20%；另外是“過渡層”，位于近地面層的上方 層”[10]。如圖 2-1 所示。根據(jù)粘性力和切應(yīng)力的主導(dǎo)地位，可將近為層流副層（貼地層）和常值通量層。黏性力為層流副層內(nèi)的主導(dǎo)大氣流動(dòng)的反作用力，造成動(dòng)量損失，使雷諾應(yīng)力呈現(xiàn)隨高度由 該層厚度被稱成為“零平面位移”，用 Zd 表示。零平面位移與氣流，流速越大、地面粗糙元越緊密，零平面位移的上升斜率越高[1層流副層上部，它的大氣流場(chǎng)特性受層流副層的地表狀況直接影響顯的湍流特性，湍流輸運(yùn)占主導(dǎo)。

b（m）底部寬度 0.11687 0.16585 0.23085 0.30946表 3-4 比例系數(shù) 1:300 下粗糙元尺（間距為 0.2m）地表類型 A B C D比例系數(shù) 1:300 1:300 1:300 1:300k（mm）粗糙元高度 9.80640 27.63682 64.81975 120.7108Cf0.00156 0.00258 0.09617 0.007243δD2/k342416.12>2000 2210.76>2000 195.8288 34.11243通過對(duì)比 3 種比例系數(shù)下的數(shù)據(jù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)尖劈的設(shè)計(jì)高度在 1.311m~2.719m 范圍內(nèi)，底部寬度在 0.116m~0.502m 范圍內(nèi)，粗糙元尺寸滿足式（3-7）。因?yàn)榭紤]到實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞的尺寸，最終選擇1:300為大氣邊界層被動(dòng)模擬的比例系數(shù)，尖劈高度為1.7m，寬度為 0.3m（圖 3-3a）；粗糙元邊長(zhǎng)取 0.05m，間距 0.2m（圖 3-3b）。

圖 3-4 大氣邊界層被動(dòng)模擬元件在風(fēng)洞內(nèi)的布置種大氣邊界層工況表 3-5 大氣邊界層被動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)工況旋轉(zhuǎn)圓盤到粗糙元板的最短距離 尖劈 1.4m 3.5m 粗糙1.4 3.5

【參考文獻(xiàn)】

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2 付德義;薛揚(yáng);焦渤;邊偉;李松迪;;湍流強(qiáng)度對(duì)風(fēng)電機(jī)組疲勞等效載荷的影響[J];華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年01期

3 李仁年;劉有亮;;大型風(fēng)力機(jī)葉片鋪層及模態(tài)分析[J];太陽能學(xué)報(bào);2015年01期

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2 李家亮;基于近地觀測(cè)的登陸臺(tái)風(fēng)湍流積分尺度研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

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本文編號(hào)：2833558