湍流度对水平轴风力机尾流及载荷特性影响研究

摘要

风力机尾流效应不但会造成下游风力机发电效率降低，还会使其所受疲劳载荷增大，因此研究风力机尾流及载荷特性具有重要意义。来流湍流度是影响水平轴风力机尾流及载荷特性的重要参数之一，受大气环境、地表粗糙度等因素影响，不同风场来流湍流度大小及分布不尽相同，因此，本文以兰州理工大学外场实验33kW水平轴风力机为研究对象，运用致动线耦合大涡模拟的方法，分别开展了均匀来流、不同湍流度来流及中性大气边界层来流条件下风力机流场的数值模拟，研究湍流度对水平轴风力机尾流及载荷特性的影响。主要工作内容如下： （1）通过模拟叶尖速比分别为5、6、7、8、9的风力机流场，分析了风力机尾流速度分布、涡量分布、尾流边界、叶根挥舞载荷及低速轴载荷随叶尖速比的变化规律，开展了均匀来流条件下风力机尾流及载荷特性研究。研究发现，均匀来流条件下，叶尖速比越大，尾流恢复越快，尾流轴向速度亏损率越大。尾流涡量在叶尖及叶根部分比较集中，脱离风轮后间断的涡核逐渐融合为连续的涡，然后耗散为强度较小的涡，随着叶尖速比增大，尾涡耗散速度加快。尾流的膨胀可分为三个阶段：第一阶段，在风轮后1D范围内尾流半径增长率较大并逐渐减小；第二阶段，在1D后的一定距离内尾流半径增长率很小，尾流半径几乎保持不变；第三阶段，尾流半径增长率增大，尾流再次发生明显膨胀。尾流的膨胀与叶尖速比有关，叶尖速比增大，尾流膨胀位置提前。风力机叶根挥舞弯矩及风轮转矩呈周期性波动，波动主要由尾流诱导引起，叶根挥舞弯矩及风轮转矩功率谱的低频部分能量均低于高频部分能量。 （2）通过模拟湍流度分别为0.85%、5.2%、10.3%的湍流来流风场，分析了风力机尾流速度分布、涡量分布、湍动能、叶根挥舞弯矩及风轮转矩随湍流度的变化规律，开展了湍流来流条件下风力机尾流及载荷特性研究。研究发现，相较于均匀来流，湍流来流时，尾流耗散加快，与周围流动掺混速率加快，从而使得尾流区轴向速度恢复加快，且湍流度越大，轴向速度恢复越快；相较于均匀来流，湍流来流时，风力机尾流轴向速度最大亏损率减小，但湍流度大小对尾流轴向速度最大亏损率影响较小；尾流半径增长率在风轮平面至风轮后1D范围内逐渐减小，在1D之后基本不变；湍流使尾流膨胀程度增大，且湍流度越大，膨胀程度越大；湍流度增大导致叶根挥舞弯矩时均值减小，波动幅值增大，叶根挥舞弯矩的高频与低频部分能量均增大，且低频部分能量增大地更快；在11m/s风速条件下，湍流度增大导致风轮转矩时均值减小，波动幅值增大，风轮转矩的高频与低频部分能量增大，且低频部分能量增大地更快。 （3）通过模拟中性大气边界层中风力机流场，分析了中性大气边界层湍流对风力机尾流轴向速度分布、涡量分布、湍动能及叶根挥舞弯矩的影响规律，开展了中性大气边界层流场中风力机的尾流及载荷特性研究。研究发现，中性大气边界层中风力机尾流轴向速度比均匀来流条件下恢复更快，原因是中性大气边界层中的湍流加速了尾涡的耗散；相较于均匀来流风场，中性大气边界层中风力机叶根挥舞弯矩功率谱能量更高，低频部分能量高于高频部分能量，说明中性大气边界层风场中风力机叶根挥舞弯矩波动更剧烈，风速在风轮范围内的不均匀性造成的叶根挥舞弯矩的波动比湍流脉动速度造成的波动更强。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1实验研究

1.2.2数值研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 基本理论

2.1涡流理论

2.2叶素理论

2.3动量理论

2.4风力机气动载荷

2.5数值计算方法

2.6大涡模拟基本原理

2.7致动线模型

2.8湍流基本理论

2.8.1基本性质

2.8.2湍流表征方法

2.9.1傅里叶变换

2.9.2谱分析

第3章 均匀来流时风力机尾流及载荷特性研究

3.1研究对象

3.2计算域

3.3边界条件

3.4尾流特性分析

3.4.1速度云图分析

3.4.2轴向速度分布

3.4.3轴向速度时程变化

3.5载荷分析

3.6本章小结

第4章 不同湍流度风况下风力机尾流及载荷特性研究

4.1计算域及边界条件

4.2尾流特性分析

4.2.1尾流场速度特性分析

4.2.2尾流湍动能分析

4.3载荷分析

4.4湍动能与叶根挥舞弯矩及风轮转矩相关性分析

4.5本章小结

第5章 中性大气湍流风况下风力机尾流及载荷特性研究

5.1计算方法及数学模型

5.2计算域及边界条件

5.3轴向速度分析

5.4湍动能分析

5.5载荷分析

5.6本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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