【摘要】：嚴(yán)重影響風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益和安全運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致下游風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率降低和疲勞載荷增大,是風(fēng)電場(chǎng)微觀選址工作中必須考慮的因素。風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)主要受來(lái)流風(fēng)況、地形地貌和風(fēng)力機(jī)排布方式的影響,本文主要通過(guò)數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了均勻入流、切變?nèi)肓�、湍流入流及多臺(tái)風(fēng)力機(jī)相互干涉尾流等不同風(fēng)況下風(fēng)力機(jī)的尾流特性,將有助于更準(zhǔn)確的了解風(fēng)力機(jī)尾流發(fā)展變化規(guī)律,為風(fēng)電場(chǎng)微觀選址、風(fēng)力機(jī)功率預(yù)測(cè)等工作提供幫助。由于致動(dòng)線模型利用體積力模擬風(fēng)力機(jī)葉片,從而不需要建立實(shí)體網(wǎng)格、降低了網(wǎng)格劃分難度并提高了計(jì)算速度。本文選擇致動(dòng)線模型作為風(fēng)力機(jī)尾流特性數(shù)值研究方法,首先綜合考慮各種修正因素影響開(kāi)發(fā)了基于商業(yè)CFD軟件ANSYS FLUENT平臺(tái)的致動(dòng)線模型,并首次在致動(dòng)線模型中考慮了體積力模擬的機(jī)艙和塔架對(duì)于風(fēng)力機(jī)尾流流場(chǎng)的影響,提高了致動(dòng)線模型的計(jì)算精度。然后基于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能參數(shù)和尾流流場(chǎng)細(xì)節(jié)確定了主要影響因素：三維高斯分布光順參數(shù)應(yīng)不小于2倍網(wǎng)格尺寸,時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)CFL數(shù)不大于1確定。通過(guò)對(duì)比致動(dòng)線模型數(shù)值結(jié)果與NREL phase Ⅵ風(fēng)力機(jī)全尺寸實(shí)體網(wǎng)格大渦模擬計(jì)算結(jié)果及IET風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)力機(jī)模型尾流測(cè)量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)所開(kāi)發(fā)的致動(dòng)線模型可用于研究風(fēng)力機(jī)尾流特性。針對(duì)均勻入流風(fēng)況,本文利用致動(dòng)線模型對(duì)NREL phase Ⅵ風(fēng)力機(jī)尾流特性進(jìn)行了數(shù)值研究,同時(shí)利用熱線風(fēng)速儀測(cè)量了中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所低速風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)力機(jī)模型的尾流特性,結(jié)果表明：塔架對(duì)氣流的阻塞效應(yīng)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子下側(cè)區(qū)域速度虧損和湍流強(qiáng)度增大,風(fēng)力機(jī)近尾流特性研究不能忽略機(jī)艙和塔架影響；葉片數(shù)增加,風(fēng)力機(jī)功率和推力增加,同時(shí)尾流區(qū)速度虧損增加、湍流強(qiáng)度增大、尾流恢復(fù)速度加快；隨著遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子,尾流區(qū)內(nèi)速度虧損和湍流強(qiáng)度逐漸減小,通過(guò)合理選擇風(fēng)力機(jī)間距可以增大風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率和降低疲勞載荷。針對(duì)切變?nèi)肓黠L(fēng)況,本文利用致動(dòng)線模型研究了切變?nèi)肓黠L(fēng)況下NREL phase Ⅵ風(fēng)力機(jī)尾流特性,結(jié)果表明：壁面的阻礙效應(yīng)及風(fēng)切變效應(yīng)導(dǎo)致尾流區(qū)上側(cè)速度虧損大于下側(cè),尾流區(qū)速度分布沿轉(zhuǎn)子中心不對(duì)稱；尾渦上部移動(dòng)快,下部移動(dòng)慢,導(dǎo)致尾渦發(fā)生傾斜。針對(duì)湍流入流風(fēng)況,本文首先通過(guò)同時(shí)修正標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和修正壁面剪切應(yīng)力建立了具有自平衡性的湍流入流風(fēng)況,然后對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流特性進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明：由于高湍流強(qiáng)度的影響,湍流入流風(fēng)況下風(fēng)力機(jī)尾流恢復(fù)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切變?nèi)肓骱途鶆蛉肓黠L(fēng)況；湍流強(qiáng)度是影響風(fēng)力機(jī)尾流恢復(fù)的最重要因素。針對(duì)多臺(tái)風(fēng)力機(jī)相互干涉尾流入流風(fēng)況,本文利用致動(dòng)線模型進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明：當(dāng)下游風(fēng)力機(jī)完全位于上游風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)內(nèi)時(shí),風(fēng)力機(jī)整體速度虧損最大,功率和推力最小,此時(shí)尾流流場(chǎng)相互疊加導(dǎo)致下游風(fēng)力機(jī)速度虧損和湍流強(qiáng)度增大,尾流流場(chǎng)迅速膨脹,同時(shí)尾流恢復(fù)速度加快；當(dāng)下游風(fēng)力機(jī)部分位于尾流區(qū)時(shí),風(fēng)力機(jī)功率和推力開(kāi)始增大,但波動(dòng)隨之增強(qiáng)。最大湍流強(qiáng)度發(fā)生在下游風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子中心與上游風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)邊界處重合時(shí),此時(shí)下游風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子速度梯度最大,載荷波動(dòng)最劇烈,這將嚴(yán)重影響風(fēng)力機(jī)疲勞載荷。針對(duì)嚴(yán)重影響我國(guó)東南沿海風(fēng)電場(chǎng)的熱帶氣旋,本文首次利用尖劈和內(nèi)六角螺栓粗糙元配合在風(fēng)洞內(nèi)生成了反映熱帶氣旋特征的大氣邊界層廓線,并測(cè)量了風(fēng)力機(jī)模型的尾流特性,發(fā)現(xiàn)：尾流區(qū)速度沿轉(zhuǎn)子中心線非對(duì)稱分布,但速度虧損基本對(duì)稱分布；熱帶氣旋作用下風(fēng)力機(jī)尾流經(jīng)過(guò)3D距離基本恢復(fù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM315

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2462033