风荷载的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响

为分析非高斯风荷载作用下风机结构的疲劳寿命,在穿越模型基础上,根据Monte Carlo模拟生成某典型风机正常风速条件下,高斯、非高斯硬化和软化3种风场的风速时程,用于分析风场的非高斯性对风机结构疲劳损伤的影响.由叶片的气动模型和多体动力,计算出风机的动力响应,并对响应的时域特性进行分析.基于线性损伤累积和线性裂纹扩展理论,对裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命进行详细讨论.结果表明:不同概率特性风场作用下风机动力响应的最大值有所不同,且风机响应的非高斯性较风场的非高斯性减弱;在年平均风速较小地区,风场的非高斯性对风机疲劳寿命影响较小;但随着年平均风速的增大,非高斯性对疲劳寿命的影响显著增大,当年平均风速为7 m/s和9 m/s时,相较于高斯风场,软化过程的裂纹形成寿命减小约10%.因此,在年平均风速较大地区,需要考虑风场的软化特性对风机结构疲劳损伤的影响.     

千米高度偏转风场风洞模拟技术研究

为研究超高层建筑的偏转风效应,以风场实测所得的指数律平均风速剖面和Ekman螺线型平均风向剖面以及《建筑结构荷载规范》中的湍流度剖面作为目标风场特性,采用自主设计的导流板系统并结合传统被动模拟装置成功模拟了缩尺比为1∶1 000的千米高度偏转风场,分析了不同装置的调节规律.结果表明:模拟所得的平均风速剖面符合指数律,风速剖面指数约为0.09;平均风向剖面与Ekman螺线吻合很好,最大误差不超过1.5°;湍流度剖面基本处于"荷载规范"C类与D类地貌的湍流度剖面之间.以圆盘中心为基准点,偏转风场在顺流向-0.5～2 m、横流向-0.75～0.75 m范围内均匀性良好.模拟所得的千米高度偏转风场可为后续研究偏转风作用下千米级超高层建筑的风荷载和风致响应特性、评估偏转风效应奠定基础.     

来流湍流度对圆柱绕流特性的影响

采用大涡模拟方法,在雷诺数为1.4?05时,研究来流湍流度对圆柱绕流特性的影响规律。研究表明：湍流度会使得自由剪切层间的相互作用更加剧烈,使得流场的三维特性更为强烈;同时加强了尾流区湍流能量的相互传递,减少能量的耗散,从而延长了回流区长度。随着回流长度的增加,圆柱背风面的平均风压系数得以增大,最终导致圆柱阻力系数随之减小。在尾流湍流得到增强的同时,尾流区会形成多尺度的湍流,从而促使漩涡形成区形成大涡量的漩涡,导致尾流区的漩涡呈现多频率的脱落。     

基于实际峡谷地形风场数值模拟的建筑微观选址

利用高分辨率地形高程数据建立山区地形模型,运用计算流体力学(CFD)技术,对峡谷近地层风场进行数值模拟,评估该地貌下风场特性的分布规律,提出建筑微观选址建议。以45°方向为间隔对风场区域进行数值模拟,对比模拟结果发现:来流风向与峡谷夹角越小,峡谷内风速增强效果越明显;气流受到地形走势不同山体的遮挡效应干扰,流速出现不同程度加强;气流进入开阔地带后,风速降低,湍流强度变化趋向稳定。在风速较小、湍流变化稳定的地区可作为建筑微观选址的最佳区域。     

错列双圆柱的脉动升力特性及其流场机理

受到上游圆柱尾流作用,下游圆柱在小风向角下易发生尾流激振现象,脉动升力与尾流激振联系紧密,但以往针对脉动升力特性的研究较少,其流场作用机理尚未澄清.针对间距比为P/D=1.5~4的错列双圆柱,采用大涡模拟方法,在高亚临界雷诺数下(Re=1.4×10⁵),重点研究小风向角下（β=0°~30°）圆柱的脉动升力和流场结构之间的内在关系,基于流场特征讨论了上、下游圆柱之间的干扰机理.研究结果表明:在小风向角范围内,上、下游圆柱的脉动升力和流场特性变化剧烈,双圆柱会经历尾流干扰、剪切层干扰、邻近干扰、旋涡撞击及涡的相互作用五种干扰流态;在尾流干扰以及剪切层干扰流态下,下游圆柱的脉动升力远小于单圆柱;在邻近干扰流态下,上、下游圆柱相互间干扰较弱,下游圆柱的脉动升力接近于单圆柱;而在旋涡撞击流态和涡的相互作用流态下,下游圆柱的脉动升力则大于单圆柱,上游圆柱的尾流旋涡对下游圆柱的撞击或者与下游圆柱旋涡的相互作用会导致下游圆柱的脉动升力急剧增加.     

典型风场分形模拟风速的分形特征分析

对风洞试验中A、B、C 3类风场的风速进行域重新标度法分析和盒维数的计算,验证了不同风场的风速具有不同的分形特征。然后利用包含Weierstrass-Mandelbrot函数的分形模拟方法模拟了A、B、C 3类风场的风速,对比各类风场的分形模拟风速和风洞试验所得的风速的湍流度、功率谱,并且对分形模拟风速进行域重新标度法分析和盒维数的计算。结果表明:包含Weierstrass-Mandelbrot函数的分形模拟方法不仅可以模拟出各类风场的风速的基本特征如湍流度和功率谱,且经域重新标度法分析和盒维数的计算后,还进一步验证了分形模拟风速具有分形特征,所以分形模拟方法可以有效地模拟出不同风场的风速的分形特征。     

考虑尾流效应的海上风电场可靠性评估

提出了考虑尾流效应的风电出力模型,用于电力系统可靠性评估。通过分析复杂风机局部遮挡和尾流效应的影响,建立了考虑复杂地形的部分遮挡尾流效应模型。利用MATLAB软件对不同风速、风向和机组布置下的尾流效应进行了计算,模拟了风场在不同风速和风向下的快速建模。该模型可以更准确地描述风电场风速和风向输出功率的变化,对于调节海上风电场输出的间歇性和随机性有一定的参考作用。     

不同高度开洞对高层建筑风特性影响的数值模拟

采用RNG的k-ε湍流模型,对处于B类地貌风场中的不同高度处设置洞口的高层建筑进行数值模拟,通过UDF编程设定风速和湍流强度等参数。结果表明:当洞口位于0.85h高层建筑时,风速在迎风面前方减弱,在侧面增大并形成对称涡旋,在背风面形成尾流;洞口内形成狭缝效应风速最大;当洞口位于不同位置时,洞口对迎风面和侧面风压以及顺风向基底弯矩都有影响;洞口位于0.65h时,侧面风压系数较小,基底弯矩降幅最大,因此在0.65h开洞最为有利。     

四分裂导线舞动特性及线路磨损规律

基于输电线路实际工程,分别建立了四分裂导线风场模型和输电塔-线-间隔棒耦合模型,研究分裂导线气动特性和舞动响应受覆冰形状、覆冰厚度、风速和风攻角等参数的影响规律,明确导线与金具碰撞磨损机理。研究结果表明：各分裂导线间的气动特性存在较大差异,阻力系数受各参数的影响显著,随着覆冰厚度和风速的增加阻力系数逐渐增大;覆冰形式和覆冰厚度对升力系数的影响较小,风速和风攻角的影响较大;导线舞动过程中与连接金具发生了摩擦连续碰撞和瞬时强烈碰撞,导线最大接触法向作用力随风速增加而增大,随覆冰厚度增加而降低。本研究揭示了四分裂覆冰导线舞动特性规律和碰撞磨损机理,可以为输电线路防舞动设计和安全运营提供指导。     

湍流强度对桥梁断面气动力特性的影响

桥梁结构处于大气边界层中,由于断面外形复杂、折点较多,其绕流常呈现复杂的流动分离和再附着状态,应评估来流湍流对桥梁断面气动特性的影响。基于节段模型测压风洞试验,获取了均匀流场和3种格栅湍流场下模型表面平均和脉动压力分布,评估了桥梁断面气动力特性的改变,分析了不同风场下断面流动分离再附着的变化。研究发现:湍流显著改变桥梁断面前缘（特别是零度和正攻角时上表面和负攻角时下表面）的分离和再附着特性,进而影响桥梁整体断面的气动力特性;随着湍流强度增加,前缘分离点的平均压力系数的幅值增大,而再附着点向上游移动;湍流强度对分离和再附着的影响程度随着风攻角的增大而变得显著;三分力系数在小风攻角时受湍流强度影响较小,在大风攻角下湍流强度的影响较大,变化的主要原因是断面前缘的压力分布变化。     

不同布置方案风力机尾流及相互作用的实验研究

以不同布置方案的风力机尾流场为研究对象,运用压差式风速仪对风力机尾流场的相互作用进行研究。对于2台风力机,当下游风力机(第2台风力机)全部或部分置于上游风力机(第1台风力机)的尾流场时,对下游风力机的尾流场进行测量。实验结果表明:当下游风力机全部置于上游风力机尾流场时,近尾流场受上游风力机尾流的影响较大,远尾流场受上游风力机尾流的影响较小,当两风力机轴向距离5D时,上游风力机对下游风力机的影响整体较小,且来流逐渐融合,表现出小幅度波动现象;当下游风力机部分置于上游风力机尾流场时,处于尾流场中的部分受上游风力机尾流(主要是叶尖涡)的影响,与尾流区外的相比,该部分的尾流区速度损失严重,但稳定性较好,当风力机横向距离大于1.5D时,随着横向距离的增大,轴向速度逐渐增大;随着轴向距离的增大,2种布置方案下轴向速度的变化幅度均逐渐减小。     

风力机尾流场的实验研究

为了获得风力机的尾流场信息,同时为大型风力机的尾流场研究提供参考依据,利用轴流式风机提供来流风速,使用皮托管和手持风速仪对无风力机情况和单个小型风力机的尾流场进行测量,获得尾流区域的速度场、压力场以及诱导速度场的分布规律.结果表明：对于无风力机的情况,在同一测量断面处的风速随着半径的增加而逐渐减小;对于有风力机时,在同一测量断面处的风速随着测量半径的增加先增加后逐渐减小;对于不同测量断面,随着测量间距的增加,在同一角度的速度值的变化趋势逐渐变小.通过尾流的诱导速度曲线可以发现,在同一测量断面处的诱导速度随测量半径的增加呈下降趋势,而对于不同截面,同一角度的诱导速度曲线会相互交叉.     

风雨下考虑偏航效应风力机流场及气动载荷

为了研究狂风暴雨环境中大型风力机在复杂工况下的流场特性和气动性能,以南京航空航天大学自主研发的5 MW风力机塔架-叶片体系为例,采用计算流体动力学（CFD）技术开展最不利叶片停机位置下考虑6个偏航角（0°、5°、10°、20°、30°和45°）影响的风力机风场模拟,添加离散相模型（DPM）开展风-雨耦合同步迭代计算,对比研究不同偏航角对风力机周围风场和雨场特性的影响规律. 建立不同偏航角下的风-雨等效压力系数新模型,给出相应的公式,针对风雨作用下的不同偏航角工况塔架和叶片表面等效压力系数进行系统分析. 研究结果表明,附加雨荷载效应对该类风力机叶片迎风面和塔架迎风面两侧各40°区域内压力的影响不容忽视.     

Large-eddy simulation and experimental study on the turbulent wake flow characteristics of a two-bladed wind turbine

Large-eddy simulation(LES) with fully resolved rotor method(FRM) is applied to explore the turbulent wake flow characteristics and vortex evolution laws of a two-bladed horizontal-axis wind turbine. Relevant wind tunnel experiments have been done based on time resolved particle image velocimetry(TRPIV) technique. The simulation results are validated by the experimental data and they are in good agreement. The axial average velocity, turbulent kinetic energy, shear Reynolds stress, and vortex structure of the wind turbine wake are analyzed based on the comparison of LES results and experimental data. It is observed that the wake diameter of wind turbine enlarges with the increase of tip speed ratio(TSR). Turbulent kinetic energy meets its minimum value when x/R=2.0. Shear Reynolds stress appears a positive peak in the near wake when x/R2.0, and the value of shear Reynolds stress decreases along the axial direction. The blade tip vortex dissipates more quickly than the central vortex in the wind turbine wake, and the gradient of the relationship curve between the blade tip vortex core position and the vortex age decreases as the TSR increases. With the increase of TSR, the thrust coefficient increases, and the power coefficient increases first and then decreases.The present work proves that LES with FRM could calculate wind turbine turbulent wake flow with a high accuracy.     

高原风力机与来流湍流的多尺度结构响应关系

为了解在高原环境下的大型风力机功率输出和来流湍流之间的尺度关系,以青藏高原环境下的大型水平轴风力机为研究对象,基于先进的激光雷达测量技术,通过现场实验的方法,在特定风速下,对机组持续运行1 h的湍流来流和输出功率间的尺度耦合关系进行研究与分析。结果表明: 中尺度范围的湍流尺度时滞与对流时间的比值近似于功率的延迟时间与对流时间的比值;来流湍流的间歇性特征被传递到风力机风轮上,且因湍流强度和风剪切的增加而被放大;高频区湍流对功率无明显影响。本文的研究结果可为高原地区及其他特殊工况下风力机结构响应的研究提供参考。     

三边形桅杆风荷载谱模型试验研究

对三边形格构式桅杆进行了均匀流和两种紊流下的高频测力天平风洞试验,得到了顺风向、横风向和扭转向的气动力系数以及脉动风荷载谱。采用基于风速谱的数学模型对顺风向脉动风荷载谱进行拟合,验证了该经验公式在不同流场下的适用性。根据试验所得横风向和扭转向脉动风荷载功率谱曲线的特点,建立由紊流激励和旋涡脱落激励两部分组成的谱函数数学模型,最小二乘法拟合结果与风洞试验结果吻合良好。横风向脉动风荷载谱以紊流激励为主,紊流强度15%时旋涡脱落激励贡献仅占10%,扭转向脉动风荷载谱中旋涡脱落激励贡献明显增大,达到40%。     

山区湍流特征及其对风力机功率的影响

为研究山地地形大气湍流关键特征参数的变化规律及其对风力机功率的影响,以云南某山地风电场山脊处一大型风力发电机组为研究对象,采用遥感技术研究风力机来流的风速、风向、湍流强度、湍动能和湍流耗散率的分布特征,并分析上述参数对机组功率的影响。结果表明：山地地形中来流参数昼夜特征明显;在垂直于来流方向,地形的影响区域集中在距离地面79 m的范围内,湍动能与湍流耗散率在垂直方向成反比;风速与湍流耗散率具有良好的正相关性;来流特征参数在不同风速区间对风力机功率的影响存在较大差异,湍动能对风力机功率的影响程度最低,为1.49%,但湍流强度对风力机功率的影响程度高达4%。     

Experimental study of the wake characteristics of a two-blade horizontal axis wind turbine by time-resolved PIV

Wind tunnel experiments of the wake characteristics of a two-blade wind turbine, in the downstream region of 0x/R10, have been carried out. With the help of the time resolved particle image velocimetry(TRPIV), flow properties such as the vortex structure,average velocity, fluctuations velocities and Reynolds stresses are obtained at different tip speed ratios(TSR). It is found that the wind turbine wake flow can be divided into velocity deficit region, velocity remained region and velocity increased region, with generally higher velocity deficit compared with a three-blade wind turbine wake. Once a blade rotates to the reference 0° plane,the tip vortices generate, shed and move downstream with the intensity gradually decreased. The leapfrogging phenomenon of tip vortices caused by the force interaction of adjacent vortices is found and more apparent in the far wake region. The axial fluctuation velocity is larger than radial fluctuation velocity at the blade root region, and the turbulent kinetic energy shares the similar trend as the axial fluctuation velocity. The axial normalized Reynolds normal stress is much larger than the radial normalized Reynolds normal stress and Reynolds shear stress at the blade root region. As the TSR increases, the radial location where the peak axial normalized Reynolds normal stress u'u'/U~2 and axial fluctuation velocity appear descends in the radial direction.     

新型6 MW单柱浮式风力机耦合运动分析

针对100 m水深条件,设计新型6 MW海上单柱浮式风力机;利用气-液-固-弹性数值模拟软件FAST,对该浮式风力机进行全耦合时域动力响应分析.整个风力机系统的气动力分析采用叶素动量理论,浮式基础的水动力分析基于势流理论同时考虑采用Morison公式计算得到的黏性阻尼,系泊系统采用等效的弹性杆单元.数值仿真结果表明：浮式基础纵荡和纵摇耦合作用较明显;平台运动响应主要取决于风载荷,波浪载荷会改变平台在平衡位置附近的振荡运动;风浪同向会激发较大的运动响应;风浪的夹角越大,平台首摇运动越明显;在额定海况下,环境载荷方向的变化对垂荡运动的影响较小;delta-line能够很好地控制首摇运动,可以避免锚链缠绕现象发生;设计出的6 MW浮式风力机具有良好的总体运动响应,系泊系统设计方案能够保证风力机系统的安全运行.