基于改进k-ω SST模型的风力机尾流数值模拟

基于双方程k-ω SST模型提出两种改进湍流模型,采用丹麦科技大学的自编求解器EllipSys3D结合致动盘方法,对单台风力机尾流流场进行数值模拟。该文将SST-sust模型引入到风力机尾流的数值研究中,为了更进一步增大预测到的湍流强度和提高尾流恢复速度,提出SST-Csust模型和SST-Dsust模型,它们是在SST-sust模型的基础上分别调整湍流模型的封闭常系数、修正ω方程的耗散项。通过与理论、实验以及LES模型进行对比分析,结果表明该文提出的改进模型在尾流区速度分布和湍流强度分布的预测方面可取得较好的应用效果。     

前后风力机尾流干扰实验分析及混合尾流模型验证

为研究两台水平轴风力机在不同排布下尾流的相互影响,开展两台风力机串联和错列工况下的尾流速度风洞测量实验。实验结果表明：对相同来流情况,风力机不同排布下混合尾流的尾流膨胀速率相同;串联风力机的轴向间距小于6倍风轮直径时,其混合尾流比单台风力机尾流恢复快。另外,对已有尾流模型的叠加方法（速度亏损平方和法）进行了验证。结果显示基于Park-polynomial模型和Park-Gauss模型得到的叠加尾流在距下游风力机3.5倍风轮直径的截面与测量值吻合良好。之后的截面高估了尾流的速度亏损。该研究为发展更准确的尾迹模型提供了风洞测量数据,对风电场内风力机排布优化有一定的工程意义。     

风力机不同排列方式下尾迹数值模拟

为了避免风电场中尾流效应对风力机之间的相互影响,而找出不同排列方式下风力机之间的最佳距离,文章采用CFD商用软件对两台风力机分别在串列、并列以及三台风力机在错列的排列方式下,采取不同的安装间距进行模拟,根据其功率输出结合尾流理论和实际情况,找到了不同排列方式下风力机之间的最佳距离。通过对单台风力机、两台风力机并列和串列以及3台风力机错列进行了模拟计算,其结果表明:两风力机串列布置时,上游风力机对下游风力机影响甚大;并列布置时,两风力机之间影响甚微;错列布置时,下游风力机处在两个上游风力机的中间,避免了上游风力机尾流直接的影响。     

基于Frandsen尾流半径假设的风力机尾流模型研究

在Frandsen非线性尾流半径假设的基础上,推导得出考虑环境湍流强度和风力机推力系数影响的Frandsen高斯修正尾流速度模型,并提出Frandsen双高斯湍流强度模型。以600 kW单风力机为案例,通过开展风洞试验和大涡模拟2种研究手段验证2个修正模型的预测效果。结果表明,Frandsen高斯修正尾流速度模型在径向尾流上预测效果更好,模型平均误差下降至7%,优于Frandsen速度模型。Frandsen双高斯湍流强度模型则能更好反映实际湍流强度在尾流场的变化特征。2种修正模型均比传统模型具有更好的预测效果,为风力机设计提供了新的尾流模型。     

安装高程对潮流能水轮机尾迹特性影响试验研究

为探究安装高程对潮流能水轮机尾迹特性的影响,以模型潮流能水轮机为研究对象,采用ADV采集尾流场速度数据,对比分析不同高程下的尾流场特性,揭示安装高程对潮流能水轮机尾迹特性的影响规律。结果表明：随着安装高程的增加,转轮后方尾流速恢复速度逐渐加快,而湍流强度和雷诺切应力恢复速度有逐渐减小的趋势;横向尾流场水动力特性沿转轮中心线基本呈对称分布,纵向剖面中,尾流速度呈现明显向自由液面漂移的现象,而湍流强度和雷诺切应力未出现明显的漂移现象;安装高程主要影响下游的尾迹恢复速率,而对沿水深和水平面方向的尾迹影响较小,支撑结构仅对近尾流1.5D（D为转轮直径）范围内尾迹结构影响较大,而对远尾迹特性影响较小。     

岛屿地貌单元的湍流能耗物理模型试验

岛屿地貌单元是珠江三角洲发育演变过程中的沉积核心,研究其消能机制,对理解河口动力过程及三角洲发育演变有重要意义。通过建立岛屿地貌单元的湍流能耗特性概化物理模型,基于16 MHz ADV采集高频流速数据,统计了时均及湍流特征量,并利用惯性耗散法分析了岛屿地貌单元的湍流动能耗率。结果表明,相同控制条件下岛屿地貌单元的形态阻力致使尾流中紊动强度量值为明渠的2~3倍,湍流剪切应力及湍流动能较明渠水流的大近1个数量级,湍流动能耗散率比明渠水流湍流动能耗散率大1~2个数量级。岛屿地貌单元的局部形态阻力导致尾流时均流速的空间梯度、切应力增大是湍流能耗率增大的原因。岛屿地貌单元的汇流作用增加了下游尾流区的水流掺混,并在尾流区域形成大量微尺度涡,导致区域湍流能耗作用增强,有利于岛屿沉积核心发育。研究成果有助于理解河口动力及三角洲的发育演变过程。     

基于激光雷达扫描数据的湍流强度影响下风力机尾流特性研究

以张家口市某风电场作为实验场地,利用激光多普勒雷达(WindMast WP350和Wind 3D6000分别扫描风力机的来流和尾流)对风力机的尾流以及风场风况进行测量,并分析湍流强度变化以及探究湍流强度对风力机尾流特性的影响。研究发现,随时间改变的大气环境对湍流强度的影响较为明显,而高度对湍流强度的影响较小;湍流强度对风力机尾流有较大影响,湍流强度越大,则尾流恢复越快且尾流宽度和深度越小;随着沿轮毂中心轴向距离的增加,尾流速度衰减在尾流发展4D～6D(D表示风力机直径长度)后加速下降。     

潮流能转换装置串列双圆柱振子流致振动振幅响应研究

合理的排布方式可显著提高流致振动潮流能装置阵列的总体转换效率。针对串列双圆柱振子排布方式流致振动潮流能转换装置,利用ADINA软件对不同参变量下等直径串列双圆柱流致振动振幅响应进行数值模拟,得到不同间距、不同流速、不同雷诺数条件下,上下游圆柱振幅响应规律以及尾流模式和位移时程曲线。制作双振子潮流能装置模型,进行水槽试验,试验结果与数值结果的变化趋势基本吻合。结果表明,在振子间距2D的排布方式下,上下游振子振幅值最大且均大于单振子振幅。     

基于2D Frandsen模型的风力机尾流数值模拟

针对二维尾流模型计算精度不高的问题,基于Frandsen模型和径向尾流速度亏损呈高斯分布假设,提出一种2D Frandsen模型,该模型同时考虑环境湍流强度和地表粗糙度对尾流的影响。通过2D Frandsen模型对单台风力机尾流场进行模拟,并将模拟结果与风场实测数据和风洞实验数据进行对比,结果表明,该文的2D Frandsen模型可准确预测多种工况下尾流区域的各点风速,在径向分布上更符合真实流场,计算精度优于修正Frandsen模型和2D_k Jensen模型。     

不同串列布置间距下2 MW风力机尾流的研究

为合理利用有限的土地资源,提高整个风电场的发电效率,采用FLUENT软件对在不同串列布置间距下的风力机尾流的相互影响情况进行了仿真研究。结果表明:随着风轮间距的增加,下游风轮风速逐渐增大并向着来流风速值靠近,功率损失逐渐减小,上游风轮的尾流对下游风轮产生的扰动作用逐渐减弱;但是风轮间距为10D时,下游风轮已基本摆脱了上游风轮的强尾流区,此后尾流速度变化缓慢。因此,在风电场布局时应合理选择风力机间距。