中性大气边界层中串列水平轴风力机的相互影响

摘要

风力机叶片作为捕获风能的主要部件，其运行时所受的载荷特性关系到风力机的效率和疲劳寿命。受到风力机尾流效应的影响，下游风力机的发电效率降低，叶根疲劳载荷增加，增加了风电场的运行成本。为了提高实际风电场内风力机集群的效率，降低风力机运行过程中的疲劳载荷，需要对风力机在风电场内的布局形式进行优化。开展中性大气边界层中串列布机大气湍流的变化对风力机气动性能的影响研究，可以为风电场的微观选址提供理论依据，具有重要的应用价值。 本文以33kW的水平轴两叶片风力发电机组为研究对象，基于大涡模拟（LES）和致动线模型（ALM）耦合的方法，对中性大气边界层中不同间距的串列布机开展了数值模拟，分析了风力机叶片在中性大气边界层中的载荷响应及其与大气湍流的相关性。 （1）通过分析上、下游风力机前后的速度和湍流强度以及各监测点雷诺应力分量的功率谱，研究了不同间距下串列风力机对中性大气湍流的作用。当上、下游风力机相距5D、7D、9D时，下游风力机风轮中心前1D的速度亏损分别为22.24%、7.20%和2.54%，湍流强度分别为16.13%、13.58%和10.02%，随风力机间距的增大逐渐恢复；经过风轮的扰动后，尾流中的湍流能量要高于来流中的湍流能量，尾流中湍流的耗散将发生在更大尺度的湍流结构中，并且会使小尺度湍流所携带的能量有所增加；叶尖对湍流的扰动要大于叶根对湍流的扰动，叶尖涡中所包含的高频湍流能量更高，耗散速率更快。 （2）通过叶根载荷的时程图及其连续小波分析，研究了上、下游风力机叶根载荷对大气湍流的响应。发现叶根载荷中挥舞弯矩占主导作用；风力机叶片每旋转一周会受到大气非均匀各向异性湍流的影响，其叶根载荷产生周期性波动；风力机叶根载荷的均值大小主要受来流风速的影响，而载荷波动的幅值大小主要受到入流湍流结构及强度的影响；大气中低频湍流结构会使叶根载荷出现低频响应，高频湍流结构所携带的能量主要用作自身的耗散，对载荷的作用较小；上游风力机尾流中低频的大尺度湍流会对下游风力机叶片造成较大影响，高频的小尺度湍流快速耗散，对下游风力机叶根载荷的影响较小。 （3）通过叶根载荷与湍流雷诺应力分量的离散小波分析和相关性分析，研究了上、下游风力机叶根载荷与大气湍流的作用机理。研究发现高频载荷主要受叶片附近的高频湍流结构影响，但不会对下游风力机叶片的载荷产生影响；随着风力机间距的增大，下游风力机叶根挥舞弯矩与其风轮前后湍流结构的雷诺应力分量的相关性逐渐降低。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源和名称

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题名称

1.2 研究背景及意义

1.2.1 研究背景

1.2.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 风力机尾流研究

1.3.2 中性大气边界层对风力机载荷影响研究

1.4 本文主要研究内容

第2章 基本理论与模拟分析方法

2.1 大气稳定度

2.2 湍流基本理论

2.2.1 基本性质

2.2.2 湍流的描述方法

2.3 数值模拟方法

2.3.1 大涡模拟

2.3.2 致动线模型

2.3.3 风力机气动载荷

2.4 数据处理

2.4.1 相关性分析

2.4.2 小波分析

2.5 本章小结

第3章 串列风力机对中性大气湍流的影响

3.1 数值方法

3.1.1 中性大气边界层的建立

3.1.2 湍流风场的建立

3.2 上、下游风力机对大气湍流的影响

3.2.1 上、下游风力机对大气湍流速度的影响

3.2.2 上、下游风力机对大气湍流强度的影响

3.2.3 上、下游风力机对大气湍流涡结构的影响

3.3 本章小结

第4章 串列风力机在大气湍流中的载荷响应

4.1 上、下游风力机叶根载荷响应时程分析

4.2 上、下游风力机叶根载荷小波分析

4.3 本章小结

第5章 风力机载荷与大气湍流的相关性研究

5.1 离散小波分析

5.1.1 叶根挥舞载荷的离散小波分析

5.1.2 雷诺应力分量的离散小波分析

5.2 雷诺应力分量与叶根载荷的互相关性分析

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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