中性風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)速脈動(dòng)對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的影響.pdf

1、風(fēng)力機(jī)逐步朝向大型化發(fā)展，這使得大氣邊界層湍流特性對(duì)風(fēng)輪的影響越來(lái)越嚴(yán)重。當(dāng)考慮風(fēng)能利用優(yōu)化時(shí)，中性大氣是最需要研究的天氣狀況，因此，本文以一臺(tái)33kW兩葉片水平軸風(fēng)力機(jī)為主要對(duì)象，研究中性大氣來(lái)流中風(fēng)速脈動(dòng)對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)載荷和尾渦結(jié)構(gòu)所造成的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于雷諾時(shí)均理論，從相關(guān)性的角度得到了在均勻風(fēng)和均勻湍流強(qiáng)度的風(fēng)況下，湍流強(qiáng)度與風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩、推力呈低度負(fù)相關(guān)，與偏航力矩、傾覆力矩呈低度正相關(guān)；切變的湍流強(qiáng)度會(huì)造

2、成風(fēng)輪軸向推力和轉(zhuǎn)矩下降，相位滯后更加明顯。⑵基于改進(jìn)Von Karman譜、諧波疊加法和致動(dòng)線理論編寫(xiě)了3D動(dòng)態(tài)來(lái)流下風(fēng)輪氣動(dòng)載荷求解程序，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)和理論規(guī)律對(duì)比驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；針對(duì)遠(yuǎn)尾流場(chǎng)的速度建模，引入尾流邊界非線性擴(kuò)張模型，采用二維高斯分布模型，推導(dǎo)并建立了用于預(yù)測(cè)遠(yuǎn)尾流速度場(chǎng)的二維非線性高斯分布模型，并對(duì)該模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。⑶基于所編寫(xiě)的程序，選取湍流強(qiáng)度、葉尖速比、風(fēng)切變指數(shù)等作為來(lái)流特征參數(shù)，選取風(fēng)輪功率

3、系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、推力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)、偏航力矩系數(shù)等作為風(fēng)輪氣動(dòng)特性監(jiān)測(cè)量，通過(guò) L8(27)正交試驗(yàn)得到了各來(lái)流特征參數(shù)及其二級(jí)交互作用對(duì)風(fēng)輪氣動(dòng)特性監(jiān)測(cè)量影響的主次順序，采用極差分析、顯著性分析得到了傾覆力矩系數(shù)、偏航力矩系數(shù)是對(duì)湍流強(qiáng)度較敏感的監(jiān)測(cè)量；之后從定量的目標(biāo)出發(fā)采用通徑分析的手段確定了湍流強(qiáng)度、葉尖速比、風(fēng)切變指數(shù)對(duì)傾覆力矩的直接通徑系數(shù)分別為0.516、0.309、0.752；湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)對(duì)偏航力矩的的直接通

4、徑系數(shù)分別為0.488、0.714；最后研究了不同湍流強(qiáng)度下風(fēng)輪氣動(dòng)性能的與來(lái)流條件的相關(guān)性，通過(guò)功率譜分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)來(lái)流出現(xiàn)比較強(qiáng)烈的脈動(dòng)效應(yīng)時(shí)，對(duì)應(yīng)湍動(dòng)能、相干湍動(dòng)能同時(shí)達(dá)到較大水平且保持較長(zhǎng)時(shí)間，水平脈動(dòng)角、垂直脈動(dòng)角分別達(dá)到各自極值，這種效應(yīng)造成了轉(zhuǎn)矩系數(shù)、推力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)、偏航力矩系數(shù)等4個(gè)監(jiān)測(cè)量在對(duì)應(yīng)時(shí)段出現(xiàn)了極值和較大波動(dòng)；在動(dòng)態(tài)風(fēng)速來(lái)流條件下，功率系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)的譜峰位置均為轉(zhuǎn)頻的偶數(shù)倍；傾覆力矩系數(shù)、偏航

5、力矩系數(shù)的譜峰位置均為轉(zhuǎn)頻的奇數(shù)倍；當(dāng)湍流強(qiáng)度增大時(shí)，各監(jiān)測(cè)量譜峰位置基本不變，但功率譜密度和譜峰峰值皆有增加；且增大相同的湍流強(qiáng)度時(shí)，較低湍流強(qiáng)度時(shí)譜密度增加量多于較高湍流強(qiáng)度。⑷基于大渦模擬和致動(dòng)線理論，在 OpenFOAM平臺(tái)上對(duì)SOWFA程序進(jìn)行了編譯和調(diào)試工作，結(jié)果表明計(jì)算所得風(fēng)輪氣動(dòng)載荷與實(shí)驗(yàn)值誤差在11%以下；計(jì)算所得葉尖渦環(huán)量占葉片有效段附著渦平均環(huán)量比為86.74%，與其他學(xué)者實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果相符；之后在OpenFO

6、AM上根據(jù)課題組外場(chǎng)尾流實(shí)驗(yàn)條件調(diào)試了算例，計(jì)算結(jié)果表明中性大氣下位勢(shì)溫度沿高度不變，地面附近平均速度分布與壁面律相符，脈動(dòng)速度符合改進(jìn)Von Karman譜。大氣風(fēng)場(chǎng)耦合計(jì)算中風(fēng)輪氣動(dòng)載荷、尾流中速度分布及其恢復(fù)趨勢(shì)、尾渦結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)和理論模型相符；當(dāng) TKE、CTKE處在較高水平且維持較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，會(huì)使風(fēng)輪功率和推力產(chǎn)生較大波動(dòng)，對(duì)風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響；來(lái)流湍流中 TKE、CTKE的極大值與風(fēng)速風(fēng)向角的頻繁變化有關(guān)，來(lái)流中較低頻段的