复杂来流条件下水平轴风力机流场特性与气动载荷研究

摘要

在大气边界层内运行的水平轴风力机始终受边界层内流动结构的影响，其空气动力学特征呈现高度的非定常性。特别是风力机风轮直径和轮毂高度的增加将增大边界层内流动结构对风力机的影响，来流的非均匀性和脉动特性不仅影响风轮气动载荷的分布，而且会引起更加复杂的尾流结构，导致下游风力机的来流条件发生明显变化。因此，为了明确来流条件对风力机流场特性和风轮气动载荷的影响规律，首先验证了本文所采用的数值计算模型和方法的准确性，在此基础上，考虑大气边界层内的湍流强度、风剪切和低空急流特征，研究了复杂来流条件下水平轴风力机流场特性和风轮气动载荷的变化规律。主要研究工作包括： （1）基于逆傅里叶变换方法，采用IEC Von Karman谱模型建立了不同湍流强度的均匀来流风场，研究了不同湍流强度对风力机风轮气动力和力矩的影响。结果表明，在中性大气条件下，当来流湍流强度在5%和20%之间变化时，来流湍流强度的增大有利于提高风轮的转矩，但同时也会引起风轮不平衡气动力和气动力矩（风轮横向力、纵向力、偏航力矩和倾覆力矩）的增大。 （2）基于雷诺时均的CFD方法，探讨了剪切来流条件下叶片表面压力和风轮气动力和力矩的变化规律。研究表明，风剪切指数发生变化时，叶片吸力面靠近前缘位置处的表面压力对来流风速和旋转方位角的变化更加敏感；表面压力随方位角的变化存在相位滞后现象，且越靠近叶根，滞后现象越明显。风轮气动力和力矩的波动幅值随风剪切指数的增大而增大；风轮转矩和推力随方位角的变化存在相位滞后现象，风剪切指数越大，滞后现象越明显。 （3）基于平面壁面射流理论和自定义参数的Von Karman谱模型建立了名为Jet_Shear的脉动风速模型，提出了一种建立低空急流脉动风场的方法；基于Jet_Shear模型和GP_LLJ（Great Plains Low-Level Jet）谱模型分别建立了不同高度、强度和稳定度的低空急流脉动风场，通过对比两种模型建立的低空急流脉动风场中风轮的气动力和力矩，验证了采用Jet_Shear模型建立低空急流脉动风场的可行性；稳定大气条件下的研究结果表明，当低空急流作用于风轮扫掠平面所在的高度范围时，低空急流高度、低空急流强度和低空急流稳定度变化对风轮气动力和气动力矩有明显的影响。 （4）在剪切来流和低空急流条件下，采用理论分析的方法，研究了基于轮毂高度处的单点风速方法和等效风速方法对来流风功率计算结果的影响。结果表明，采用等效风速方法会显著提高来流风功率计算的准确性。同时，在基于IEC Von Karman谱模型建立的剪切来流脉动风场和Jet_Shear模型建立的低空急流脉动风场条件下，研究了轮毂高度处的单点风速方法和等效风速方法对风轮输出功率预测结果的影响，结果表明，采用等效风速方法预测风轮输出功率时，在剪切来流条件下没有明显的优势，但在低空急流条件下，预测精度明显提高。 （5）基于雷诺时均的CFD方法，在均匀来流和剪切来流条件下研究了风力机的尾流特性。结果表明，风力机尾流轴向速度亏损的自相似性与来流条件和叶尖速比有关。均匀来流条件下，随着叶尖速比的增大，在下游离风轮越近的位置，轴向速度亏损曲线越容易达到自相似的状态，并且除了尾流边缘的区域，尾流轴向速度的亏损曲线与高斯分布曲线重合，即满足高斯自相似性。当来流存在剪切时，尾流区垂直面内轴向速度的亏损曲线不满足高斯自相似性，且随着风剪切指数的增大，轴向速度亏损曲线与高斯分布曲线的偏差越大。不论是均匀来流还是剪切来流条件下，随着叶尖速比的增大，尾流的膨胀效应越明显，叶尖涡形成的螺旋线的螺距逐渐减小。剪切来流条件下，来流的剪切效应和尾流区的剪切层使得叶尖涡发生不稳定破坏时，呈现开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象。 （6）基于自定义参数的Von Karman谱模型分别建立湍流长度尺度和标准偏差相同的均匀来流、剪切来流和低空急流脉动风场。借助于NREL开发的FAST.Farm开源代码，探讨了来流条件对水平轴风力机尾流蜿蜒特性的影响。结果表明，当来流的湍流长度尺度和标准偏差相同时，平均风速的分布规律对风力机尾流中心的位置没有明显的影响。在下游离风轮越远的位置，水平面和垂直面内尾流中心位置的波动幅度越大。

目录

声明

插图索引

附表索引

物理量名称及符号表

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 风力机气动性能的研究方法

1.2.2 风力机尾流特性的研究

1.2.3 来流条件对风力机流场结构和气动载荷影响的研究

1.3 本文的主要研究内容

第2章 风力机基本理论和研究方法

2.1 大气边界层风速特性

2.1.1 平均风速分布

2.1.2 湍流强度

2.1.3 湍流积分尺度

2.1.4 风功率谱

2.2 风力机空气动力学基本理论

2.2.1 Betz理论

2.2.2 叶素理论

2.2.3 叶素动量理论（BEM）

2.2.2节叶素理论也求得距风轮中心距离为r，宽度为dr的微圆环上作用的推力和转矩，由

2.2.4 叶素动量理论的修正

2.3 风力机计算流体力学理论

2.4 计算模型与方法的验证

2.4.1 FAST中计算模型与方法的验证

2.4.2 CFD数值计算方法的验证

2.5 本章小结

第3章 湍流强度和风剪切对风力机风轮气动载荷的影响

3.1 风力机来流脉动风场的模拟方法

3.2 湍流强度对风力机气动载荷的影响

3.2.1 不同湍流强度脉动风场的建立

3.2.2 湍流强度对风轮气动载荷的影响

3.3 风剪切来流条件下风力机气动特性的研究

3.3.1 风剪切来流下风力机叶片表面压力的分布规律

3.3.2 风剪切来流条件下风轮流场特性研究

3.3.3 风剪切来流条件下风轮和叶片气动载荷特性研究

3.4 本章小结

第4章 低空急流对风力机风轮气动载荷的影响

4.1 低空急流脉动风场建模

4.1.1 基于GP_LLJ谱模型的低空急流脉动风场建模

4.1.2 工程化低空急流脉动风场建模

4.2 低空急流高度变化对水平轴风力机气动载荷的影响

4.2.1 不同高度的低空急流脉动风场建模

4.2.2 不同高度的低空急流条件下水平轴风力机气动载荷研究

4.3 低空急流强度变化对水平轴风力机气动载荷的影响

4.3.1 不同强度的低空急流脉动风场建模

4.3.2 不同强度的低空急流条件下水平轴风力机气动载荷研究

4.4 低空急流条件下稳定度变化对水平轴风力机气动载荷的影响

4.4.1 不同稳定度条件下的低空急流脉动风场建模

4.4.2 不同稳定度的低空急流条件下水平轴风力机气动载荷研究

4.5 本章小结

第5章 基于等效风速方法的来流风功率和风轮输出功率特性研究

5.1 风力机来流风功率计算

5.1.1 风力机来流风功率的理论计算值

5.1.2 基于轮毂高度处单点风速方法的来流风功率计算

5.1.3 基于等效风速方法的来流风功率计算

5.2 基于等效风速方法的风轮输出功率特性研究

5.2.1 基于等效风速方法的剪切来流条件下风轮输出功率特性研究

5.2.2 基于等效风速方法的低空急流条件下风轮输出功率特性研究

5.3 本章小结

第6章 风力机尾流自相似和蜿蜒特性研究

6.1 风力机尾流自相似特性研究

6.1.1 均匀来流条件下尾流区轴向速度分布

6.1.2 均匀来流条件下尾流区轴向速度变化的自相似性

6.1.3 均匀来流条件下尾流区涡量分布

6.1.4 剪切来流条件下尾流区轴向速度分布

6.1.5 剪切来流条件下尾流区轴向速度变化的自相似性

6.1.6 剪切来流条件下尾流区涡量分布

6.2 风力机尾流蜿蜒特性研究

6.2.1 不同来流条件脉动风场的建立

6.2.2 不同来流条件下尾流蜿蜒特性研究

6.3 本章小结

结论与展望

1. 结论

2. 展望

3. 创新点

参考文献

致 谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 部分程序代码和公式补充