【摘要】：隨著風(fēng)能的廣泛應(yīng)用以及風(fēng)力發(fā)電的大力發(fā)展,越來越多的風(fēng)電場在世界各地建立起來。在風(fēng)機(jī)密集布置的風(fēng)電場中,存在十分顯著的問題:風(fēng)電場尾流速度虧損,功率輸出顯著下降,湍流流動特性大大增強(qiáng)。研究表明,依據(jù)風(fēng)電場的布置形式以及風(fēng)電場的風(fēng)資源條件,當(dāng)下游風(fēng)機(jī)位于上游風(fēng)機(jī)的全尾流區(qū)域之內(nèi)時,由于復(fù)雜的尾流效應(yīng)以及尾流相互干擾效應(yīng),風(fēng)電場的功率損失約為40%。因此,進(jìn)行基于真實風(fēng)電場布置的多風(fēng)機(jī)風(fēng)電場的數(shù)值模擬,研究其功率輸出特性、尾流場的復(fù)雜尾流效應(yīng)以及顯著的尾流相互干擾效應(yīng),對于風(fēng)電場的布置優(yōu)化以及風(fēng)電場的尾流研究有著十分重要的科學(xué)意義以及工程參考價值。本文基于致動線模型,采用CFD方法數(shù)值模擬多風(fēng)機(jī)風(fēng)電場復(fù)雜尾流場,討論其氣動載荷輸出特性,研究風(fēng)電場中復(fù)雜尾流效應(yīng)以及典型尾流相互干擾效應(yīng)。本文首先基于盲測實驗,對FOWT-UALM-SJTU求解器中的風(fēng)電場求解模塊ALMWindFarmFoam進(jìn)行數(shù)值模擬驗證,從氣動載荷輸出、尾流特性包括平均尾流速度以及平均湍流應(yīng)力等特性數(shù)值驗證求解模塊進(jìn)行風(fēng)電場模擬的可靠性以及準(zhǔn)確性。其次,基于串列與錯列兩種基本布置形式,對兩風(fēng)機(jī)風(fēng)電場進(jìn)行了詳細(xì)數(shù)值模擬研究。討論了不同串列以及錯列間距對于下游風(fēng)機(jī)氣動性的影響,分析了位于全尾流以及部分尾流區(qū)內(nèi)下游風(fēng)機(jī)的氣動功率輸出特性。數(shù)值模擬結(jié)果表明:上下游風(fēng)機(jī)縱向間距以及錯列間距對于下游風(fēng)機(jī)的氣動性存在十分顯著的影響,上游風(fēng)機(jī)的尾流在約五倍風(fēng)輪直徑之內(nèi)區(qū)域為強(qiáng)尾流影響區(qū),其后為弱尾流影響區(qū)。當(dāng)下游風(fēng)機(jī)完全位于上游風(fēng)機(jī)強(qiáng)尾流影響區(qū)時,尾流虧損十分嚴(yán)重,功率損失十分顯著;脫離強(qiáng)尾流影響區(qū)進(jìn)入弱尾流影響區(qū)時,下游風(fēng)機(jī)的氣動功率恢復(fù)明顯,其恢復(fù)速度約為強(qiáng)尾流影響區(qū)尾流恢復(fù)速度的二倍。當(dāng)下游風(fēng)機(jī)部分處于上游風(fēng)機(jī)尾流時,功率增長加快,尾流重合區(qū)內(nèi)湍流特性明顯,尾流速度恢復(fù)加快。尾流形狀表現(xiàn)出十分明顯的非對稱性。最后,數(shù)值模擬了基于Lillgrund風(fēng)電場布置形式的大型多風(fēng)機(jī)風(fēng)電場。詳細(xì)討論風(fēng)電場中48臺風(fēng)機(jī)的氣動載荷,包括氣動功率以及推力的輸出特性,復(fù)雜的尾流效應(yīng),并且對尾流的相互干擾效應(yīng)進(jìn)行了討論。結(jié)果表明:風(fēng)機(jī)功率損失的極小值出現(xiàn)在串列布置的下游第三臺風(fēng)機(jī)上,此后,由于尾流速度的逐漸恢復(fù),位于第三臺風(fēng)機(jī)下游的其他風(fēng)機(jī)的功率輸出有所增加。隨著尾流處的長周期發(fā)展,下游風(fēng)機(jī)的功率輸出趨向穩(wěn)定的功率比(相對于第一臺風(fēng)機(jī)),約為20%。當(dāng)?shù)谝慌_風(fēng)機(jī)在額定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時,尾流速度虧損最大,導(dǎo)致了下游多臺風(fēng)機(jī)的功率輸出大幅度減小。由于顯著的尾流相互干擾效應(yīng),尾流中存在明顯的交替出現(xiàn)的尾流虧損區(qū),虧損區(qū)的交替出現(xiàn)會導(dǎo)致十分嚴(yán)重的葉片疲勞現(xiàn)象。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM614
【圖文】：

這樣同樣可以達(dá)到提高發(fā)電量的基本目的。多風(fēng)機(jī)集群化形成大型風(fēng)逡逑電場，進(jìn)行集中并網(wǎng)發(fā)電是充分利用風(fēng)能的有效手段。世界各國都在大力發(fā)展風(fēng)逡逑電場：全球規(guī)模最大的倫敦矩陣風(fēng)電場，如圖１－３所示，包含１７５臺風(fēng)機(jī)，總的逡逑裝機(jī)量６３０ＭＷ［５］；位于德國的ＢＡＲＤ邋Ｏｆｆｓｈｏｒｅ邋１風(fēng)電場，包含８０臺風(fēng)機(jī)，總裝逡逑機(jī)量４００ＭＷ［６］；中國江蘇響水近海風(fēng)電場，包含１３４臺風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)量２０１ＭＷ。逡逑研宄表明，在大型風(fēng)電場中，風(fēng)電場的總發(fā)電量與風(fēng)機(jī)的總臺數(shù)之間并非是逡逑正比關(guān)系，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的功率損失現(xiàn)象［７］。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是在大逡逑型風(fēng)電場中存在十分明顯的尾流效應(yīng)：風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會從空氣中吸收風(fēng)能，作逡逑為對空氣流場的一種負(fù)反饋，在風(fēng)輪平面后面會形成十分明顯的尾流。在風(fēng)機(jī)尾逡逑流區(qū)內(nèi)，流場速度顯著降低，湍流度上升，對處于尾流區(qū)域之內(nèi)的下游風(fēng)機(jī)會產(chǎn)逡逑生十分顯著的影響。與此同時

表１－１全球部分大型風(fēng)電場概覽［１３］逡逑ｌｅ邋１－１邋Ｏｖｅｒｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｓｏｍｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ＇ｓ邋ｍａｊｏｒ邋ｗｉｎｄ邋ｆａｒｍｓ逡逑邐總裝機(jī)量（ＭＷ）邐風(fēng)機(jī)邐位置１７５邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑ｙ邐６３０邐ＵＫＳＷＴ－３．６－１２０逡逑１５0ｘＳｉｅｍｅｎｓ逡逑ａｒｍ邐６００邐ＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓＳＷＴ－４．０逡逑９７邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑邐５８２邐ＧｅｒｍａｎｙＳＷＴ－６．０－１５４逡逑２０１邐１３４ｘｌ．５ＭＷ邐Ｃｈｉｎａ性研究現(xiàn)狀逡逑，

逑ｍａｍ逡逑圖１－３倫敦矩陣風(fēng)電場［１２］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｌｏｎｄｏｎ邋ａｒｒａｙ邋ｗｉｎｄ邋ｆａｒｍ逡逑表１－１全球部分大型風(fēng)電場概覽［１３］逡逑Ｔａｂｌｅ邋１－１邋Ｏｖｅｒｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｓｏｍｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ＇ｓ邋ｍａｊｏｒ邋ｗｉｎｄ邋ｆａｒｍｓ逡逑風(fēng)電場名稱邐總裝機(jī)量（ＭＷ）邐風(fēng)機(jī)邐位置邐完成時間逡逑１７５邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑Ｌｏｎｄｏｎ邋Ａｒｒａｙ邐６３０邐ＵＫ邐２０１２逡逑ＳＷＴ－３．６－１２０逡逑１５0ｘＳｉｅｍｅｎｓ逡逑Ｇｅｍｉｎｉ邋Ｗｉｎｄ邋Ｆａｒｍ邐６００邐Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ邐２０１７逡逑ＳＷＴ－４．０逡逑９７邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑Ｇｏｄｅ邋Ｗｉｎｄ邐５８２邐Ｇｅｒｍａｎｙ邐２０１７逡逑ＳＷＴ－６．０－１５４逡逑江蘇響水邐２０１邐１３４ｘｌ．５ＭＷ邐Ｃｈｉｎａ邐２０１０逡逑１．２風(fēng)機(jī)氣動性研究現(xiàn)狀逡逑在風(fēng)電場中風(fēng)機(jī)的氣動性起著十分重要的作用，準(zhǔn)確研宄風(fēng)電場中風(fēng)機(jī)氣動逡逑性可以為風(fēng)場的布置優(yōu)化以及風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)置提供一定的依據(jù)。目前來說，針對逡逑于風(fēng)機(jī)氣動性的研究，國內(nèi)外比較主流的數(shù)值模擬方法主要有葉素動量理論方法、逡逑基于體積力的致動方法以及基于真實風(fēng)機(jī)模型的數(shù)值模擬方法。本小節(jié)主要就以逡逑上幾種數(shù)值模擬方法進(jìn)行相關(guān)的國內(nèi)外的研宄現(xiàn)狀的綜述。逡逑１．２．１葉素動量理論逡逑葉素動量理論是最經(jīng)典的風(fēng)機(jī)氣動性計算方法之一。葉素動量理論（Ｂｌａｄｅ逡逑Ｅｌｅｍｅｎｔ邋Ｍｏｍｅｎｔｕｍ邋Ｍｅｔｈｏｄ，邋ＢＥＭ）最早由邋Ｇｌａｕｅｒｔ邋提出［１４］，其計算效率高，可逡逑以充分節(jié)約計算資源

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 卞鳳嬌;徐宇;王強(qiáng);宋娟娟;徐建中;;改進(jìn)致動面模型的多風(fēng)力機(jī)尾流研究[J];工程熱物理學(xué)報;2015年06期

2 許昌;韓星星;王欣;劉德有;鄭源;SHEN Wenzhong;張明明;;基于改進(jìn)致動盤和拓展k-ε湍流模型的風(fēng)力機(jī)尾流數(shù)值研究[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2015年08期

3 劉穎;嚴(yán)軍;;基于葉素動量理論的水平軸風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計方法[J];蘭州理工大學(xué)學(xué)報;2014年06期

4 王勝軍;張明明;王強(qiáng);徐建中;;新型風(fēng)力機(jī)致動面模型研究[J];工程熱物理學(xué)報;2013年08期

5 田琳琳;趙寧;鐘偉;;風(fēng)力機(jī)尾流相互干擾的數(shù)值模擬[J];太陽能學(xué)報;2012年08期

6 李少華;王東華;岳巍澎;李龍;王恒;;雙風(fēng)力機(jī)風(fēng)向變化時尾流及陣列數(shù)值研究[J];動力工程學(xué)報;2011年10期

7 曾慶川;劉浩;LIM Che Wah;羅維奇;楊云勝;;基于改進(jìn)葉素動量理論的水平軸風(fēng)電機(jī)組氣動性能計算[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2011年23期

8 曾利華;王豐;劉德有;;風(fēng)電場風(fēng)機(jī)尾流及其迭加模型的研究[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2011年19期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 沈志榮;船槳舵相互作用的重疊網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值方法研究[D];上海交通大學(xué);2014年

2 王勝軍;基于致動線模型的風(fēng)力機(jī)尾流特性研究[D];中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 周瑞濤;基于致動面模型的風(fēng)電場尾流特性模擬研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所);2017年

2 卞鳳嬌;基于三維改進(jìn)致動面模型的風(fēng)力機(jī)尾流特性研究[D];中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所);2015年

3 任會來;基于致動盤模型的風(fēng)力機(jī)尾流流場數(shù)值模擬[D];華北電力大學(xué);2014年

本文編號：2781241