基于大涡模拟的单台大型风力机尾流特性研究

摘要

风能作为可再生清洁能源，在能源发展结构中的作用越来越重要。风力机的尾流效应增加下游风力机的气动载荷、影响下游风力机的发电效率。大气稳定性的变化导致风速、风向、温度等发生变化，从而影响风场中风力机的尾流特性。研究风力机在不同稳定度大气下运行的尾流特性对研究新型风力机和合理利用风资源有重要指导作用。 本文采用开源软件OpenFOAM，耦合大涡模拟与致动线方法，结合大气边界层流动理论，分别对均匀入流与不同稳定度大气边界层中的单台风力机进行数值模拟，分析风力机的尾流特性。 （1）根据大气边界层中速度、位温、热通量等分布的不同，模拟生成不同稳定度大气边界层，分析了大气边界层流场的结构及其风速脉动特性。结果表明，中性大气下湍动能与相干湍动能达到的水平最大，总体的脉动效应大于稳定大气；低空急流改变了典型稳定大气的垂直风剪切，湍流相干结构不明显，湍流的发展被抑制。 （2）使用三种亚格子模型模拟了均匀入流条件下单台风力机在不同叶尖速比运行时，流场内速度、湍流、涡结构等的变化特征。模拟结果表明，对于所使用的三种亚格子模型，在不同叶尖速比下，能预测出相似的尾流效应，亚格子模型的选择对尾流的模拟影响较小；νSGS=0时，求解过程只有数值耗散，仍能获得很好的模拟结果；验证了使用AL-LES方法预测风力机尾流非定常流动特性的可行性。 （3）基于所模拟的三种稳定度大气边界层，采用Lagrangian动力亚格子模型探讨不同大气稳定度风场内风力机的尾流特性。对尾流中剪切应力与湍动能进行分析，结果表明，大气稳定度的增加降低了风力机尾流的湍流强度和剪切应力。对于三种大气状态，切应力在风轮扫掠面上部叶尖附近轴向脉动速度与垂向脉动速度呈现负相关，在下部叶尖附近呈现正相关；随着尾流向下游发展，切应力幅值变小，轴向脉动速度与垂向脉动速度的相关性减弱。

目录

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物理量名称及符号表

第1章 绪 论

1.1研究背景

1.2 国内外关于风力机大涡模拟与风力机尾流特性的研究

1.2.1 亚格子模型及风力机尾流的大涡模拟研究

1.2.2 不同大气稳定度下风力机尾流特性的研究

1.2.3 低空急流对风能利用影响的研究

1.3 课题研究内容

1.4 课题创新点

第2章 大气边界层基本理论与风力机数值计算方法

2.1 大气边界层基本理论

2.1.1 大气边界层的日变化

2.1.2 大气稳定度参数

2.1.3 低空急流产生的效率

2.2 风力机的数值计算方法

2.2.1 致动线理论

2.2.2 大涡模拟

2.3 涡结构显示方法

2.4 本章小结

第3章 不同稳定度大气边界层的模拟及其风速脉动特性

3.1 不同稳定度大气边界层的模拟

3.1.1 不同稳定度大气初始条件设定

3.1.2 不同稳定度大气风速、温度分布

3.2不同稳定度大气速度脉动特性

3.2.1脉动速度的时程变化

3.2.2脉动速度功率谱

3.3本章小结

第4章 三种亚格子模型下风力机尾流特性

4.1 研究对象与计算方案

4.1.1 研究对象

4.1.2 计算方案

4.2 计算结果分析

4.2.1 尾流发展及速度分布

4.2.2轴向速度干扰因子与速度环量沿叶片径向的分布

4.2.3 尾流湍流特性

4.2.4 尾流涡旋分析

4.2.5 涡流粘度

4.3 本章小节

第5章 不同大气稳定度风场中大型风力机尾流特性

5.1研究对象与计算方案

5.1.1 研究对象

5.1.2计算方案

5.2计算结果分析

5.2.1尾流速度分布

5.2.3 风轮推力与转矩的功率谱特性

5.2.4尾流湍流特性

5.3本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

致谢

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