大气湍流稳定度对风力机尾流影响的模拟研究

利用Agel-TDM风力机动力模型,模拟分析不同湍流状态下单台风力机尾流的空间特征。研究结果表明:随着大气湍流稳定性增强,在水平方向上风力机尾流效应减弱,即风力机尾流距离减小;在铅垂方向,动量垂直输送加快,增强了风力机下游风速的恢复速率,风电场的实际出力能力提高。     

基于大涡模拟的煤粉湍流燃烧研究

基于开源计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)计算程序包OpenFOAM模拟煤粉燃烧特性,运用大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法模拟炉内燃烧情况,研究煤粉颗粒直径对火焰特性的影响,通过对比分析模拟结果和试验数据,验证LES及所用模型对气-固两相煤...     

基于致动线和大涡模拟的不同入流风况下的风力机尾流特性研究

风力机的尾流效应是风电场规划与设计中需要考虑的重要因素之一,准确评估风电场的尾流效应对于风电场微观选址、保障机组运行安全、提高风电场经济效益有着重要的意义。文章以NREL 5 MW风力机为对象,基于致动线和大涡模拟方法,研究其在均匀入流和切变入流等不同风况下风力机的尾流特性,入流风况分别为在不同风速下的均匀大气入流和在不同地表粗糙度情况下的切变大气入流。研究结果表明:入流风速增大,尾流区螺旋状叶尖涡的涡间距增大,尾流速度恢复的距离越长;地表粗糙度长度增加,在塔筒竖直方向内相同高度对应的风速减小,导致塔筒产生的阻力减小,风力机塔筒形成的涡更容易发生脱落和破裂,进而导致脱落涡的涡量值增加。研究结果有助于准确地理解风力机尾流发展变化规律,为风电场微观选址、风力机功率预测等工作提供理论支持。     

湍流结构及大涡模拟研究

大涡模拟最初用于大气与环境科学的研究,之后利用大涡模拟研究大气越来越广泛并取得多方面的成果．通过对端流的认识,了解研究湍流应具备的条件,由此引出大涡模拟方法在湍流研究中的优势,简单介绍大涡模拟理论．讨论亚格子模型．根据大涡模拟在水力、航天、传热及生态环境等方面已有的应用,说明其应用前景和亟待解决的问题。     

基于SPIV的风力机叶尖涡与尾流流场相关性研究

采用三维粒子图像测速方法(SPIV),研究两种不同尖速比下的水平轴风力机叶尖涡演变过程及尾流速度流场特性。通过锁相技术,首次实现风力机下游远至2.7倍直径范围内的尾流数据采集,完整揭示叶尖涡发展湮灭的过程及其对尾流流场的影响。尾流轴向速度呈先减小至最大尾流衰减率后再逐渐恢复的规律,且发生该最大衰减率的位置与叶尖涡的运动密切相关;分析叶尖涡对尾流速度恢复的阻滞作用,提出以叶尖涡"交替跳跃"现象作为风力机近、远尾流区分界点标志的依据;在此基础上推导风力机近尾流区长度的计算公式。     

基于动网格对风力机尾流的数值模拟

为了更真实地分析风机尾流流场,尽量减小尾流影响,提高风电场输出功率及效益,提出一种利用动网格技术进行风场优化的新方法。针对1.5 MW风力机叶片旋转区域进行动态网格化求整个流道内的尾流场,同时利用CFD方法与致动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行数值模拟。利用两种计算方法对单台风力机的尾流区域进行计算,获得单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布及风力机下游不同位置处的流场分布,并与改进Jenson模型结果进行对比分析,表明该动网格方法能较好地捕捉尾流的流场特性,由于新的尾流计算模型考虑叶片真实旋转对尾流影响,准确捕捉风机尾流中产生大小不同尾漩涡,合理捕捉尾流恢复率及尾流半径的变化规律,因此可作为工程开发有效工具,为分析风机尾流流场及风电场风机布置提供一定参考。     

水平轴风力机气动性能的大涡模拟研究

水平轴风力机风轮气动性能计算能准确描述风力机的运行状况,为风力机风轮气动设计结果提供评价和反馈.为探索风轮气动性能高精度的计算方法,在南航利用CFD软件Fluent中使用大涡模拟,对SVIAB WG500风力机的气动特性进行数值研究,并对洞壁干扰因素进行修正.结果证明,由于能够对大尺度涡流精确计算,大涡模拟比S-A模型在风力机气动性能计算上具有更高的精度.在大涡模拟计算结果的基础上,对三维风轮气动性能做进一步地分析,得到SVIAB WG500风力机的最佳运行尖速比以及沿叶高方向翼型气动变化规律.     

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。     

风力机尾流相互干扰的数值模拟

结合制动盘理论与CFD方法,采用FLUENT软件对置于有限面积的风电场内的9台风力机尾流相互干扰情况进行数值模拟。风电场内风力机机组呈梅花型排布,考虑入流角分别为0°、15°和30°代表风力机的偏航现象,利用FLUENT提供的FAN边界将风力机风轮简化为无厚度的产生压力跃降的制动盘,采用N-S方程求解整个风电场的流场分布。该文给出流场的速度分布、涡量分布及风力机机组周围的风能密度与湍流强度分布,反映了上游风力机机组的尾流会对下游机组的流场产生干扰的现象。通过对风电场和风力机的成功模拟表明,制动盘理论结合CFD的方法适用于风电场和风力机的流场模拟,可为风电场微观选址和风力机排布提供参考,且计算量远小于完全数值模拟方法。     

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。     

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。     

湍流扩散火焰的大涡模拟及验证

对丙烷/空气射流扩散火焰进行了大涡模拟,并就截面流向速度无量纲分布、速度脉动无量纲分布、温度无量纲分布以及NOx生成与Sandia实验室测量数据进行了对比分析,得出大涡模拟方法可以较好地模拟湍流扩散火焰的结论.在此基础上对拟序结构与化学反应的相互影响以及雷诺数对各尺度的影响进行了研究,结果表明:在流场的起始阶段,燃烧对拟序结构的形成有促进作用;在发展阶段,燃烧对大涡拟序结构有削弱作用,却能使小涡的生成增加,从而增强了化学反应;大涡拟序结构的存在改变了各参数的分布;随着雷诺数的增大,各尺度横向脉动均变大,预测到的NOx减小,产生的最大值前移.     

湍流强度对风力机尾迹涡结构影响的实验研究

为研究湍流强度对风力机尾迹涡结构的影响规律,利用TR-PIV(time resolved-particle image velocimetry)对水平轴风力机模型在有、无格栅4.5D(D为风轮直径)范围内的尾流信息进行采集。通过定性及定量分析对比有、无格栅时尾迹流场瞬时涡量、平均涡量及湍动能的变化规律,再现了不同入流条件下尾迹涡形成、发展和湮灭的过程及尾迹涡系间能量传递特性。分析发现:自由流4.5D范围内均可见明显叶尖涡拟序结构,其衰减速度较慢。格栅入流时随湍流强度增加流层间的强剪切及径向掺混作用增强,使叶尖涡拟序结构失稳,2.5D时拟序结构消失;涡量集中区域较自由流明显扩张,叶尖涡诱导效应影响范围增加;尾迹涡系的湍动能较自由流明显增加,随着尾迹向下游发展叶尖涡、中心涡湍动能很快衰减,附着涡区湍动能却明显增强;附着涡区不再是隔离带,而是叶尖涡和中心涡的能量输送带,从而促进尾迹恢复。     

基于非均匀致动盘的风力机尾流模拟分析

针对常规致动盘方法中诱导因子均匀分布,而实际叶片的诱导因子沿径向变化的问题,提出了诱导因子非均匀分布的方法来模拟风力机的尾流流场。先以常规致动盘方法进行计算,根据理论和试验数据对比验证流场参数;在此基础上由叶片翼型参数求出诱导因子,根据其沿径向非均匀分布的特点进行计算,定性分析其尾流流场的特点及发展变化过程;最后,应用该方法分析两台同轴风力机在不同间距下所受到的影响。该研究结果可为风电场微观选址提供参考。     

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。     

基于非均匀致动盘的风力机尾流模拟分析

针对常规致动盘方法中诱导因子均匀分布,而实际叶片的诱导因子沿径向变化的问题,提出了诱导因子非均匀分布的方法来模拟风力机的尾流流场。先以常规致动盘方法进行计算,根据理论和试验数据对比验证流场参数;在此基础上由叶片翼型参数求出诱导因子,根据其沿径向非均匀分布的特点进行计算,定性分析其尾流流场的特点及发展变化过程;最后,应用该方法分析两台同轴风力机在不同间距下所受到的影响。该研究结果可为风电场微观选址提供参考。     

旋流贫预混燃烧湍流特性的大涡模拟

针对一个非受限强旋流CH_4/空气贫预混燃烧器的冷态工况和燃烧工况进行大涡模拟,建立了基于两步简化机理的改进代数二阶矩燃烧模型,模拟得到与实验数据相符的结果.为了进一步分析化学反应对湍流流动的影响,应用了空间关联函数和湍流能谱分析方法处理模拟结果,模拟结果显示燃烧增强了湍流涡团的能量.     

平板湍流边界层微气泡减阻的大涡模拟

采用大涡模拟研究了通入微气泡对光滑平板及部分粗糙平板湍流边界层减阻的影响.在计算域进口引入扰动以在较短距离内生成雷诺数(基于边界层动量厚度)为1430的平板湍流边界层.利用Weierstrass-Mandelbrot分形函数生成算术平均粗糙高度为75μm的粗糙表面轮廓曲线.结果表明,微气泡体积分数增大时,作用在微气泡上...