本文關鍵詞：漂浮式風力機動態(tài)響應及氣動特性研究　出處：《中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）》2014年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 漂浮式風力機 動態(tài)響應 氣動特性 尾跡 致動線 風洞實驗

【摘要】：隨著海上風電的快速發(fā)展,漂浮式風力機作為一種有效開發(fā)海上風能的新技術逐漸受到廣泛關注。漂浮式風力機可以在海洋環(huán)境中自由運動,而且時刻受到波浪的影響,因此始終處于明顯的振蕩狀態(tài)。持續(xù)的振蕩不僅引起風力機的動態(tài)響應,而且增強了氣動載荷的非定常效應,從而為漂浮式風力機的設計和評估帶來極大的困難。深入研究漂浮式風力機的動態(tài)響應和氣動特性有助于揭示動態(tài)響應的變化規(guī)律,準確模擬包括氣動載荷在內(nèi)的多種載荷,為漂浮式風力機的設計奠定基礎,從而推動漂浮式風電的發(fā)展。 本文綜合運用多種方法對漂浮式風力機的動態(tài)響應和氣動特性進行了研究,詳細分析了多種環(huán)境條件下動態(tài)響應的變化規(guī)律,以及翼型、風輪和尾跡的氣動特性。 在動態(tài)響應特性研究中,對三種典型的漂浮式風力機在多種風速和波浪條件下的動態(tài)響應進行了計算,統(tǒng)計得到了每種工況下各種動態(tài)響應的平均值和標準差。對統(tǒng)計結果的詳細分析表明：縱蕩運動是漂浮式風力機的主要運動形式；風速主要影響動態(tài)響應的平均值,而浪高主要影響動態(tài)響應的變化幅值；功率平均值與固定式風力機的穩(wěn)態(tài)值相比基本不變,但載荷平均值卻有一定程度的增加。對葉片攻角和誘導因子的分析表明,葉片內(nèi)側翼型的平均攻角和攻角變化幅度較大,而葉片外側的誘導因子平均值和誘導因子變化幅度較大,表明葉片內(nèi)側較容易出現(xiàn)動態(tài)失速現(xiàn)象,而葉片外側較容易進入湍流尾跡狀態(tài)。 在翼型的氣動特性研究中,以動態(tài)響應特性研究得到的攻角變化規(guī)律為基礎,選擇了DU35翼型。首先利用CFD對靜態(tài)條件下DU35翼型的氣動特性進行了模擬,通過與實驗數(shù)據(jù)對比驗證了計算模型的準確性；然后利用動網(wǎng)格技術對DU35翼型在俯仰運動狀態(tài)下的非定常氣動特性進行模擬,并與B-L動態(tài)失速模型的計算結果進行了對比；最后對平均攻角、攻角變化幅度和折合頻率的影響規(guī)律進行了分析。結果表明：在附著流或輕失速攻角范圍內(nèi),厚翼型的升力系數(shù)幾乎沒有非定常效應,而阻力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)卻有很強的非定常效應。同時還發(fā)現(xiàn),建立在薄翼型基礎上的B-L模型對厚翼型的模擬結果與CFD的趨勢基本一致,但高估了厚翼型的非定常效應。 在風輪的氣動特性研究中,對NREL5MW風力機的風輪在穩(wěn)態(tài)和振蕩條件下的氣動特性分別進行了模擬。其中,穩(wěn)態(tài)條件下的模擬分別采用了BEM和CFD兩種方法,結果表明：對于變速變槳型風力機,在風速達到額定風速之前,功率和載荷均隨風速的增大而增加,而且主要出功區(qū)域和最大載荷均位于葉片外側；風速達到額定風速之后,載荷顯著降低,而且主要出功區(qū)域向葉根方向轉移；對于BEM方法,雷諾數(shù)效應是高風速條件下計算誤差增大的重要原因。振蕩風輪的模擬采用了CFD方法,并且在給定縱蕩位移和葉片參考系下進行。結果表明：在風輪的縱蕩運動過程中,葉片表面的流動沒有明顯變化,但葉尖附近吸力面的壓力分布波動較大。 在尾跡特性的研究中,首先在分析和改進現(xiàn)有致動線模型的基礎上,提出一個新模型,通過對二維翼型和橢圓機翼進行模擬,以及與理論結果對比,驗證了模型的準確性,并且提出了提高致動線模型準確性的兩種有效方法。然后利用改進的致動線模型分別對固定式和縱蕩運動風輪的尾跡特性進行了研究。固定式風輪的尾跡特性研究結果表明：在低風速和額定風速條件下,葉片外側附著渦以及葉尖渦的強度較強；在高風速條件下,葉尖渦的強度大幅度減弱,葉片內(nèi)側附著渦以及葉根渦的強度增強�？v蕩運動風輪的尾跡特性研究結果表明：軸向力和切向力波動較大的區(qū)域均位于葉片中部,而且波動幅度受縱蕩振幅的影響極大；在低風速和額定風速條件下,風輪的縱蕩運動加速了尾渦的耗散與融合,并且增大了尾跡區(qū)的湍流強度；在高風速條件下,尾跡流動受風輪縱蕩運動的影響較小。 最后,在總結現(xiàn)有實驗的基礎上,設計了一個可在常規(guī)風洞中模擬漂浮式風力機縱蕩運動的水平擺動實驗臺,建立了水平擺動風力機實驗的相似律,并且對風輪直徑為1.5m的縮比例NREL5MW風力機在靜止和擺動條件下的氣動特性進行了實驗研究。結果表明：由于雷諾數(shù)效應以及風輪轉軸與軸承之間的摩擦阻尼,縮比例風力機的功率系數(shù)明顯小于原風力機的功率系數(shù)；當風力機水平擺動時,轉速和推力均隨時間波動,且波動幅度基本不隨風速和擺動頻率變化。
[Abstract]:With the rapid development of offshore wind power , the floating wind turbine is widely concerned as a new technology for effectively developing offshore wind energy . The floating wind turbine can move freely in the marine environment , and the time is affected by the waves . The continuous oscillation not only causes the dynamic response of the wind turbine , but also enhances the unsteady effect of the aerodynamic load , which can accurately simulate various loads , including aerodynamic loads , and lays a foundation for the design of the floating wind turbine , thus promoting the development of floating wind power . In this paper , the dynamic response and aerodynamic characteristics of floating wind turbine are studied by means of a variety of methods , and the rule of dynamic response under various environmental conditions is analyzed in detail , and the aerodynamic characteristics of airfoil , wind wheel and wake are analyzed in detail . In the study of dynamic response characteristics , the dynamic responses of three typical floating wind turbines under various wind speeds and wave conditions are calculated and the average value and standard deviation of various dynamic responses under each working condition are obtained . The aerodynamic characteristics of DU35 airfoil are simulated by using CFD to simulate the aerodynamic characteristics of DU35 airfoil under static conditions . The results show that the aerodynamic characteristics of DU35 airfoil under static conditions are simulated and compared with the results of the B - L dynamic stall model . In the study of aerodynamic characteristics of wind wheel , the aerodynamic characteristics of the wind wheel of the NREL5MW wind turbine are simulated respectively under steady state and oscillation conditions . The results show that the power and load are increased with the increase of wind speed before the wind speed reaches the rated wind speed . In the study of wake characteristics , firstly , based on the analysis and improvement of the existing actuator line model , a new model is proposed , and two effective methods to improve the accuracy of the model are verified by simulation of two - dimensional airfoil and elliptical wing . At last , on the basis of summarizing the existing experiments , a horizontal swinging experiment table which can simulate the heave motion of floating wind turbine in a conventional wind tunnel is designed , the similarity law of the experiment of the horizontal swinging wind turbine is established , and the aerodynamic characteristics of the scaled NREL5MW wind turbine with the diameter of 1.5m are experimentally studied .

【學位授予單位】：中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM315

【共引文獻】

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本文編號：1420013