發(fā)布時間：2020-04-06 13:54

【摘要】：隨著環(huán)境污染、能源緊缺等問題日益嚴(yán)重,風(fēng)電場的建設(shè)規(guī)模越來越大,風(fēng)電場中的風(fēng)力機數(shù)量越來越多。由上游風(fēng)力機尾效應(yīng)造成的下游風(fēng)力機疲勞載荷增加,風(fēng)場功率損失等問題也日益突出。因此本文將以NREL 5 MW風(fēng)力機作為研究對象,采用變轉(zhuǎn)速控制方式,基于OpenFOAM開源軟件,使用致動線和大渦模擬相結(jié)合的方法,研究風(fēng)電場中上游風(fēng)力機尾流對下游風(fēng)力機風(fēng)輪氣動性能的影響。主要研究工作包括以下三部分:第一部分,對致動線方法的網(wǎng)格尺度(η)和高斯分布因子(ε)的取值規(guī)律做了研究,發(fā)現(xiàn)兩者的取值規(guī)律滿足關(guān)系式ε=k·η,當(dāng)η取值越大時,k取值應(yīng)越小;針對本文計算問題,確定了η和ε的取值,計算區(qū)域比較小時,η取2.5m,ε取1.6η。計算區(qū)域比較大時,η取5m,ε取1.2η;在以上結(jié)論的基礎(chǔ)上,以風(fēng)輪功率誤差和風(fēng)力機轉(zhuǎn)速誤差為評價標(biāo)準(zhǔn),對數(shù)值方法做了驗證;第二部分,在理想入流條件下,首先研究了不同葉尖速比下風(fēng)力機的尾流特性。發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機尾流速度虧損主要集中在風(fēng)輪后葉片中間對應(yīng)的位置;隨著葉尖速比減小,尾流速度恢復(fù)變慢,由風(fēng)輪阻滯效應(yīng)造成的尾流膨脹減小,流場中渦量耗散減慢,向后推移的距離也越長;在風(fēng)力機尾流場中,渦量值大的位置,大渦粘度、亞格子動能比較大,亞格子應(yīng)力也比較大;其次,研究了通過控制上游風(fēng)力機尾跡使其發(fā)生傾斜或偏移,提高風(fēng)電場功率輸出的策略。發(fā)現(xiàn)上游風(fēng)力機存在偏航角或兩臺風(fēng)力機存在輪轂高度差,均可提高兩臺風(fēng)力機的總功率輸出;最后在額定風(fēng)速下研究了上游風(fēng)力機傾斜尾流或偏移尾流對下游風(fēng)力機的推力、轉(zhuǎn)矩以及葉片軸向力和切向力的影響。發(fā)現(xiàn)上游風(fēng)力機尾跡改變后,下游風(fēng)力機載荷的平均值和振幅均明顯增大。通過分析上游風(fēng)力機在不同偏航角下,下游風(fēng)力機葉片在0.3R、0.6R、0.9R處的軸向力和旋轉(zhuǎn)切向力,發(fā)現(xiàn)隨著上游風(fēng)力機偏航角增大,軸向力和切向力都在增大,增大到一定值后,保持恒定,最大值對應(yīng)的方位角區(qū)間增大,最小值對應(yīng)的方位角區(qū)間減小,并且最小值對應(yīng)的方位角區(qū)間內(nèi),有軸向力和旋轉(zhuǎn)切向力急劇變大的現(xiàn)象;通過分析不同輪轂高度差時,葉片在0°、60°、120°和180°位置處受到的軸向力和切向力,發(fā)現(xiàn)隨著輪轂高度差增大,葉片受上游風(fēng)力機尾流的影響減小。葉片處于尾流區(qū)和非尾流區(qū)時,軸向力和切向力變化明顯。第三部分,在自然入流條件下,首先考慮大氣浮力、科里奧利力和地表熱通量,模擬了3000*3000*1000 m~3的大氣邊界層。在覆蓋逆溫層以下,位溫在垂向上不發(fā)生變化,平均風(fēng)速在垂向上呈現(xiàn)出剪切特性;大氣邊界層中各點的風(fēng)速和風(fēng)向呈現(xiàn)出脈動特性。脈動風(fēng)速滿足湍流譜特性,在慣性子區(qū)滿足-5/3能量遞減規(guī)律;其次在大氣邊界層中布置了距離為6D的兩臺風(fēng)力發(fā)電機,發(fā)現(xiàn)風(fēng)場中的風(fēng)力機隨時間的變化,功率、推力和轉(zhuǎn)矩是隨機變化的,但總體趨勢滿足正弦分布,并且下游風(fēng)力機平均功率、推力、轉(zhuǎn)矩均小于上游風(fēng)力機,但變化振幅大于上游風(fēng)力機。對上、下游風(fēng)力機氣動載荷做頻譜分析,發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪氣動載荷的能量集中時,對應(yīng)的頻率與葉片數(shù)有關(guān);最后,在風(fēng)電場中布置了8臺風(fēng)力機,對風(fēng)場的流場和各風(fēng)力機的氣動特性做了研究。額定風(fēng)速以前,隨著風(fēng)速增大,風(fēng)場的功率損失也越來越大。各風(fēng)力機的功率、推力、轉(zhuǎn)矩呈正弦波形式變化,并且后排風(fēng)力機功率的振幅明顯高于第一排風(fēng)力機,從第二排開始,風(fēng)力機振幅有下降的趨勢。本課題涉及到的研究內(nèi)容、方法和結(jié)果對風(fēng)電場微觀選址具有參考作用。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK83

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本文編號：2616598