臺風結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致當處于不同臺風生命周期時風力機的風荷載特性差異巨大,目前針對風力機臺風過境全過程風荷載的研究尚屬空白。本文在總結(jié)國內(nèi)外臺風實測研究成果的基礎(chǔ)上,提出了一種針對風力機的臺風過境全過程風場模擬方法。以美國可再生能源實驗室5MW風力機為例,系統(tǒng)研究了臺風過境全過程大型水平軸風力機的風荷載分布特性。結(jié)果表明,本文搭建的風力機臺風過境全過程風場模擬方法可有效重現(xiàn)臺風過境時風力機的全過程風荷載特征。臺風眼壁干擾階段的風力顯著大于其它臺風過境階段,需要注意的是,臺風眼過后的后眼壁階段的臺風影響仍然十分顯著,葉片和塔架的彎矩極值分別達到前眼壁階段的92.83%和93.97%。此外,研究發(fā)現(xiàn)臺風外圍干擾階段（前后）和臺風眼影響階段的塔筒底部以縱向彎矩為主,而眼壁干擾階段存在橫風向彎矩占據(jù)主導(dǎo)地位的情況,大型風力機抗臺風設(shè)計的關(guān)注點應(yīng)與正常停機工況區(qū)別對待。本文研究結(jié)論可為進一步研究大型風力機抗強臺風設(shè)計提供數(shù)據(jù)輸入和參考依據(jù)。 

【文章來源】：空氣動力學學報. 2020,38(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

風力機臺風過境全過程風荷載分析方法

其中，Um(i）和Wm(i）為依據(jù)臺風實測數(shù)據(jù)[13]確定的分階段臺風順風向平均風速和上升氣流平均速度，k=1,2,3,4,5分別代表處于臺風外圍渦旋前緣、前眼壁強風、臺風眼、后眼壁強風和外圍渦旋后緣影響階段，分別用FOVS(Front Out-vortex Stage）、FEWS(Front Eye-wall Stage）、TES(Typhoon Eye Stage）、BEWS(Back Eye-wall Stage）和BOVS(BackOut-vortex Stage）代表（圖2）。此外，橫風向風速分量V(t）被假設(shè)為零均值，因此V(t）僅包括脈動風速v(t）。臺風過境過程中，由于臺風的強對流作用以及其本身結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致臺風與常態(tài)風剖面不同，且不同階段臺風風場之間差異十分顯著。基于Franklin和Powell的臺風實測研究結(jié)果，文獻[16]提出了考慮空間影響的預(yù)測定向臺風平均風速剖面的數(shù)值方法。此外，基于慣性子區(qū)的脈動風速譜一般形式，大量大氣中性層結(jié)下的經(jīng)驗風速譜模型在此基礎(chǔ)上被提出，并廣泛應(yīng)用于不同國家的抗風設(shè)計規(guī)范中，這些經(jīng)驗譜模型可統(tǒng)一表達為六參數(shù)脈動風速譜廣義模型，如式（3）所示：

以現(xiàn)階段較具有代表性的大型風力機之一NREL5 MW機型為例研究。本文所采用風場實測數(shù)據(jù)來源于“中國風能資源詳查與評估”項目在南中國海建立的測風塔測量數(shù)據(jù)，基于收集的62個臺風觀測案例[15]分析可知，臺風影響存在極大的特異性，臺風各典型階段的最大基本風速和作用尺度差異顯著。選取觀測中出現(xiàn)的最大平均風速60 m/s作為FEWS順風向初始風速，BEWS順風向初始風速為55m/s，外圍影響階段（FOVS和BOVS）和TES順風向初始風速分別取為25m/s和12m/s。此外，W(t）在外圍影響階段、眼壁影響階段和TES分別取為-2m/s、5m/s和-5m/s。風速模擬過程中來流平面劃分為1024個節(jié)點，每間隔6m設(shè)置一個網(wǎng)格點，網(wǎng)格和風力機相對位置如圖3所示。圖4列舉了不同臺風影響階段風力機輪轂位置處的脈動風速時程，圖中std代表根方差值。輪轂處脈動風速時程在不同影響階段存在差異顯著的脈動特征。以順風向為例，當臺風處于眼壁強風影響時（包含F(xiàn)EWS和BEWS），順風向風速標準差顯著大于外圍影響階段和臺風眼階段，此時的順風向湍流強度最大可達18%左右，這與文獻[15]中實測得到的南海臺風極端情況一致。此外，TES階段下風速沿u方向和v方向的分量具有較好的跟隨性，反映臺風眼內(nèi)水平風向較為穩(wěn)定，而FOVS、FEWS、BEWS、BOVS階段下風向具有顯著的瞬變特征。

【參考文獻】：
期刊論文
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[7]試析海上風機在強臺風下葉片受損風險與對策——考察紅海灣風電場的啟示[J]. 王景全,陳政清.  中國工程科學. 2010(11)

博士論文
[1]分離失速下風力機氣動力數(shù)值模擬研究[D]. 鐘偉.南京航空航天大學 2012

碩士論文
[1]南海近海臺風近地層風場特性研究[D]. 王喬喬.中國海洋大學 2013



本文編號：2983464