基于分形学的湍流风谱模型适用性研究

为避免由经验性地选择湍流风谱模型导致特定风电场风速分布规律描述不准确的问题,基于Kaimal、Von Karman、SMOOTH和NWTCUP湍流风谱模型模拟在不同地表粗糙度和湍流强度条件下所建立风场的风速分布规律,通过计盒维数分形方法计算不同风速速度曲线的分形维数,并与某风电场测风塔实测风速数据的分形维数进行比较。结果表明:风速曲线的分形维数均约为1.5,证明风速时域分布具有自相似特征。由于NWTCUP湍流风谱模型基于所选风电场的实测风速数据建立,因此NWTCUP模型在50 m高度和80 m高度处的风速分形维数与实测数据最为接近,表明分形维数可作为选择湍流风谱模型的一个重要定量参数。     

自相似性和分形维数在风场分析中的应用

通过探究风速时间序列的自相似性和分形维数,将分形学运用到湍流风场分析中,从风速时间序列的局部与整体关系和风速时间序列的分形维数2个角度解决选用湍流风谱模型时存在的盲目性问题.选用某一风场风速时间序列,基于Kaimal、Von Karman、SMOOTH和NWTCUP湍流风谱模型得到风速时间序列,采用Hurst值验证风速时间序列的自相似性,用计盒维数法计算风速时间序列的分形维数.结果表明:不同的湍流风谱模型具有不同的分形维数,湍流风谱模型可定量描述;风速时间序列内部波动不是随机的,是有自相似性的长程相关过程;分形维数与参考风速有关.     

基于分形学的湍流风谱特性对比研究

为定量描述湍流风场和解决湍流风谱模型选择时存在盲目性和不准确性等问题,基于多种湍流风谱模型并考虑湍流强度、地表粗糙度及空间高度的影响,生成不同程度的风速时间序列曲线。基于图像识别技术和计盒维数法对各条件下风速曲线分形维数进行计算。结果表明:不同湍流风谱模型具有不同的分形特性;湍流风分形特性受湍流强度和地表粗糙度影响;相同地貌特征和气候条件下,不同高度处风速时间序列数据具有不同的分形维数。     

风力机叶片动态特性与分形维数关系研究

为探究风力机叶片动态特性与分形维数之间的关系,基于湍流风谱模型Von Karman和NWTCUP生成2种风场,通过多体动力学软件FAST仿真出不同风速条件下的风力机叶片挥舞和摆振时域动态响应,采用计盒维数法求解其分形维数。用发电机输出功率验证分形维数描述风力机叶片动态特性的可行性。结果表明:挥舞时域动态响应的分形维数随风速的增大逐渐减小,而摆振则相反,当达到额定功率时挥舞和摆振的分形维数变化都较小;相同风速下不同湍流风谱模型的功率虽几乎相同,但其对应的分形维数却不同,表明不同的湍流风谱模型有其特定的分形维数。     

湍流风分形特性对比研究

基于多种湍流风谱模型并考虑湍流强度、地表粗糙度及空间高度对湍流风的影响,获取各种环境条件下的湍流风风速时间序列数据并生成相应的时域风速曲线。应用图像识别技术和盒子计数法,对各风速曲线分形维数进行计算与分析。结果可揭示湍流风风速时间序列的分形特性,且研究了湍流强度、地表粗糙度及空间高度对湍流风分形维数产生的影响,可为湍流风的分析及湍流风谱的准确选择提供一种新思路。     

基于风速时间序列分形与传统插值对比研究

风速时间序列具有波动强烈、数学上处处连续、处处不可导特征,为解决风速时间序列的插值问题及提高其精度,采用数学分形学理论的分形插值方法,基于Kaimal和NWTCUP湍流风谱模型进行风场模拟。从得到的风速时间序列中随机抽取数据作为初始点,将分形插值方法与三次样条和Hermite传统插值方法进行对比。结果表明:分形插值方法不仅具有保持原始风速时间序列所具有的本质和内在联系,如自相似性、长程相关性和标度不变性等非线性动力学系统特征信息,而且比三次样条和Hermite传统插值方法更适合剧烈震荡的风速时间序列的插值。     

湍流风场的分形维数分析

为定量分析风速时间序列的内在波动性,采用分形维数方法进行研究。就分形维数结果的准确程度比较了盒维数法和结构函数法,当曲线维数大于1.3时,使用盒维数求分形维数误差较大,而利用结构函数法求分形维数,误差小于1%。使用结构函数法计算了地表粗糙度分别为0.01~2.5 m下不同风数据的分形维数,在相同平均风速条件下,风速序列随地表粗糙度增大,其分形维数减小。     

粤东海岛近地风场风特性研究

以汕头大学南澳临海试验站-风力机测试认证平台监测得到的风资源数据为研究对象,对实测风资源数据采用数值统计分析方法,研究粤东海岛近地风场风特性。对实测数据选取强风样本进行分析,获得南澳海岛近地面风场的风特性参数,包括湍流强度、阵风因子和湍流积分尺度,并与国家标准《建筑结构载荷规范》中推荐值进行对比,验证规范中推荐值的适宜性。同时探讨脉动风功率谱的拟合研究工作,将实测风功率谱与Davenport谱、Von Karman谱、Harris谱进行对比分析,结果表明,Von Karman谱与实测功率谱拟合效果较好,可为粤东地区海岛风资源评估及中小型风力机等结构设计提供参考依据。     

南澳岛风电场流场的数值计算

采用RANS模型和标准k-ε湍流模型研究南澳岛风场的风速分布。基于中性大气稳定性条件,对来流风廓线、湍流模型参数和壁面函数进行分析,将风向划分为16个扇区,进行多风向流场数值计算。基于实际测风数据的时间序列和流场数值计算结果,建立全风向月(年)平均风速的计算方法。利用风场内6个测风塔上12个测点的实测数据,对数值计算结果进行对比分析,所有测点的平均计算偏差为4.41%,其中与基准点相同高度的测点计算偏差均在3.7%以内。     

高速强湍流风况下的风力机结构动力学响应

为研究大型风力机在高速强湍流风况下的结构动力学特性,基于NWTCUP风谱模型建立平均风速为25m/s的极限湍流三维风场,比例缩放Kelvin-Helmholtz不稳定流的数值模拟结果作为相干结构,将其加入普通湍流风场表示湍流度更强的风况,在FAST软件中分别计算加入相干结构前、后风力机的动力学特性,并仿真偏航30°、紧急顺桨停机和一直顺桨停机3种偏工况,得到各个工况下叶片和塔架载荷的动态响应.结果表明:加入相干结构后,风速在空间及时域的变化均更加剧烈,相干湍动能更大,可表示湍流强度更高的风况;加入相干结构后,风力机动力学响应加剧,其中塔基弯矩影响最大,响应幅值波动变化范围增大了1.96倍;叶片载荷主要刺激频率为风轮旋转频率,塔架响应为塔架一阶侧向振动频率;相干结构对偏工况的影响较大,在偏航和紧急停机等非稳定运行过程中,塔尖弯矩非平稳过程明显.     

随机型Werierstrass-Mandelbrot函数在风速模拟中的应用

仿真程度高且简洁实用的风模型,对于风力机系统的气动与结构设计、风场布置与发电功率预测等十分重要。实际风速时间序列普遍具有自相似性,传统的谐波叠加法生成风速不具有自相似特征。基于随机型Weierstrass-Mandelbrot函数,通过其功率谱与Kaimal脉动风速功率谱建立联系,生成具有自相似分形特性的风速时间序列。将该方法生成风速与谐波叠加法生成风速从功率谱、概率密度函数及均值、极值、标准差等统计参数方面进行比较。结果表明:相比于谐波叠加法,随机型W-M函数能有效仿真具有自相似分形特性的风速时间序列。     

高风速及风突变对风力机柔性部件振动特性研究

风力机运行在复杂多变的自然环境之中,风是影响风力机气动特性和振动特性的最直接因素,高风速及风速突变将诱发风力机更强的气动载荷。为探究风力机柔性部件在高风速及突变湍流风作用下的振动特性,以NREL(美国国家能源部可再生能源实验室)实测数据为湍流风数据源,并添加相干结构描述风速突变,以NREL 1.5 MW近海桩柱式风力机为样机,建立基于Kane方法的风力机结构动力学模型,并使用假设模态离散化方法对其进行柔性化,而后将该模型与风场和气动力模型一起组成气-弹相互耦合系统动力学模型,分别研究了风力机叶片和塔架的结构动力学响应。结果表明:相干结构的添加可使基础湍流风具有更大的风突变以及更高的湍流强度;额定风速附近,叶尖位移体现为挥舞,切出风速附近,叶尖位移同时体现为挥舞和摆振;相干结构的添加使得叶片和塔架振动加速度成倍增加。     

风速时间序列非线性特征分析

针对时间序列风速确定性与随机性相结合的复杂非线性特征,基于相空间重构理论和最大Lyapunov指数对其进行混沌与分形特征分析。首先,以经典Lorenz混沌系统及非混沌完全随机白噪声时间序列为验证算例,通过相空间重构和最大Lyapunov指数法判断以上2种非线性时间序列的混沌特征,分别从定性和定量的角度验证了所提方法的可行性;其次,对美国风能研究中心实测风速数据进行相空间重构,计算其最大Lyapunov指数并估算其可预测时间,最后采用G-P算法分析了实测风速时间序列的饱和关联维数。结果表明:相空间重构理论及最大Lyapunov指数法均可作为判断混沌特征的重要方法,时间序列风速具有明显的混沌分形特征及短期可预测性。     

湍流脉动风速的谐波-分形模拟

真实大气湍流中的脉动风速具有多尺度自相似分形特点,传统的模拟方法对自相似分形特征描述不足。为此,提出谐波-分形模拟法,该方法能准确模拟出脉动风速的功率谱特征和分形结构。通过对比实测脉动风速和模拟脉动风速的统计特征,如阵风系数、概率密度等,发现该方法模拟结果与实测符合较好。     

大型风力机多体动力学仿真下结构动态响应

为探究风力机湍流风况下结构动态响应,建立运行于以轮毂高度为参考点的全域风场中的风力机整机模型,以拉格朗日算法进行多体动力学仿真,分析叶片和塔架结构动态响应。风况模拟采用Kaimal风谱,包括不同风速以及稳态和湍流多种情况。结果表明:叶尖位移和叶根力矩挥舞方向大于摆振方向;叶尖位移集中于风轮转动频率附近;塔顶位移仅为塔架高度的0.15%~0.30%。     

风电场局部地形改造空气动力场数值模拟

针对风场局部地区机组发电能力不足、技术改造效果不确定的问题,应用Global mapper、WAsP、Matlab等软件拟合出局部地形物理模型。以风场实测数据作为物理模型的入流条件,利用UDF自定义速度入口和湍流入口,通过CFD计算出12种来流下各改造地形的机组轮毂高度处的风速、湍流度。与实际风数据比较后发现,该物理模型具有较高的精度,同时改造地形可有效增加下风向的风速、减小湍流度,从而取得较好的经济效益。     

大型风电机组脉动风场建模与数值仿真

分析了风电机组风场模型与普通建筑风场模型的异同,指出叶片的周期性运动将改变风速谱的频率成分分布,使相当部分的频率成分集中到风轮旋转频率及其倍频处。根据标准von Karman模型和旋转采样谱模型,分别推导并建立了风电机组固定部件和叶片上脉动风速谱功率矩阵,并在此基础上采用谐波叠加法模拟了风电机组各部件的风速时序数。     

大基地开发模式下的风资源评估方法探索

针对我国建设风电大基地的规划过程中现有软件对于大场址风资源模拟结果较差的现象,在预开发区域一年实测风数据的基础上,运用SPSS,Global mapper,Surfer等软件,采用地理空间因子的多元回归方法对风资源进行模拟,并应用现有数据对回归曲线进行验证,制作风场区域年平均风速风资源图谱,得出如下结论 :新方法模拟的年平均风速分布与中尺度风资源分布在空间上是一致的;经过检验预测风速与实测年平均风速的差异较小在2%以内;提出的风资源评估的方法和相关理论分析及应用技术能够为当前风电大基地开发模式提供新的思路。     

热带海岛典型地貌风场特性的无人机实测

利用双无人机测风系统实测海岛三类典型场地的风场特性,并与多国风荷载规范对比。结果表明,近海岸、低矮温室基地、多高层建筑群实测风剖面分别与中国规范A类、日本规范Ⅲ类、美国规范B类剖面较吻合。近海岸湍流强度小于各国规范,低矮温室、多高层建筑群实测值分别与日本规范Ⅲ类、Ⅳ类场地值较吻合。阵风因子随粗糙度、湍流强度提高而增大,近海岸、多高层建筑群阵风因子与湍流强度相关性分别接近Ishizaki、Cao建议模型。实测积分尺度随高度而增大,随粗糙度而减小,提出热带海岛典型地貌的积分尺度公式。同一地貌的风速竖向、水平相关性随高差、水平间距增大而减弱;同一高差的风速竖向相关性随粗糙度提高而减弱。von Karman谱能较好地描述热带海岛脉动风在频域内的能量分布特性。     

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。