中性風(fēng)場中風(fēng)速脈動對水平軸風(fēng)力機(jī)氣動特性的影響.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風(fēng)輪的影響越來越嚴(yán)重。當(dāng)考慮風(fēng)能利用優(yōu)化時，中性大氣是最需要研究的天氣狀況，因此，本文以一臺33kW兩葉片水平軸風(fēng)力機(jī)為主要對象，研究中性大氣來流中風(fēng)速脈動對風(fēng)輪氣動載荷和尾渦結(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、諧波疊加法和致動線理論編寫了3D動態(tài)來流下風(fēng)輪氣動載荷求解程序，并通過與實驗和理論規(guī)律對比驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性；針對遠(yuǎn)尾流場的速度建模，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)測遠(yuǎn)尾流速度場的二維非線性高斯分布模型，并對該模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證。⑶基于所編寫的程序，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)輪氣動特性監(jiān)測量，通過 L8(27)正交試驗得到了各來流特征參數(shù)及其二級交互作用對風(fēng)輪氣動特性監(jiān)測量影響的主次順序，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)是對湍流強(qiáng)度較敏感的監(jiān)測量；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)輪氣動性能的與來流條件的相關(guān)性，通過功率譜分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)來流出現(xiàn)比較強(qiáng)烈的脈動效應(yīng)時，對應(yīng)湍動能、相干湍動能同時達(dá)到較大水平且保持較長時間，水平脈動角、垂直脈動角分別達(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個監(jiān)測量在對應(yīng)時段出現(xiàn)了極值和較大波動；在動態(tài)風(fēng)速來流條件下，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，各監(jiān)測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，較低湍流強(qiáng)度時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線理論，在 OpenFOAM平臺上對SOWFA程序進(jìn)行了編譯和調(diào)試工作，結(jié)果表明計算所得風(fēng)輪氣動載荷與實驗值誤差在11%以下；計算所得葉尖渦環(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)者實驗和數(shù)值模擬結(jié)果相符；之后在OpenFO

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