风力机三维卷吸尾流模型的研究与验证

一维线性卷吸尾流模型(LE,linear entrainment)基于质量守恒和动量守恒建立,这有利于提高尾流预测精度,但其假设尾流呈顶帽形状分布。采用余弦形状来修正尾流速度的径向分布,湍流强度经验公式来修正尾流模型,提出二维余弦LE尾流模型(2DCLE,two-dimensional cosine linear entrainment);然后,考虑风切变影响,将二维模型拓展到了三维模型(3DCLE,three-dimensional cosine linear entrainment)。通过风洞试验和2个外场试验案例验证三维模型的精度。研究结果显示,与传统模型相比,3DCLE模型能够更加精准地预测横向和垂向的尾流速度亏损,最大误差和最小误差均最小。     

基于半经验公式的风力机尾流模型研究

以瑞典航空研究院(FFA)、东京大学及荷兰能源研究中心(ECN)的风洞实验为参照,以探究半经验公式类型的风力机尾流模型为目的,验证了Jensen模型和改进Jens-en模型。采用上述两个半经验模型,编写计算程序,然后按照上述每个风洞实验的参数,设定计算条件,计算风力机下游的无量纲风速,再分别与相应的实验值进行比较。结果表明,在各自的适用条件下,上述两个模型都能比较精确地模拟风力机尾流特性。这证明上述两模型可以用于进一步研究风力机尾流效应,以进行风电场微观选址与布局优化。     

基于动态尾流蜿蜒模型的风力机疲劳损伤评估

风电场尾流效应是影响下游风力机载荷的主要因素。选用美国可再生能源实验室（NREL）最新开源的多物理场耦合仿真软件工具——FAST.Farm,以某海上风电场为研究对象,量化评估了风电场前排、中间和后排风力机的尾流效应、载荷及疲劳损伤特征。结果表明：沿流动方向,风电场内部呈现出风速依次降低,湍流强度依次增加的流动特征;随着来流风速提高,前排、中间、后排风力机的疲劳损伤增大;在较高来流风速条件下,中间位置风力机叶根处和塔基处的疲劳损伤成倍增加,且增加幅度明显高于前排和后排风力机,即疲劳损伤最严重的风力机位于风电场中间区域。建议风电前期开发及后期运维工作中,需要重点关注场区中间位置风力机的结构强度。     

基于格子玻尔兹曼方法-离散元法耦合模型的侧喷口喷动床模拟研究

气固两相流研究是了解侧喷口喷动床内颗粒剧烈而复杂的运动的有效手段。基于格子玻尔兹曼方法（LBM）-离散元法（DEM）耦合模型,流体相采用LBM中的D2Q9模型,固体相采用DEM软球模型,流固耦合采用Gidaspow模型,从介观角度分析侧喷口喷动床内流动特性,通过模拟和实验验证得到了侧喷口喷动床内流化过程,同时分析了不同喷射速度下空隙率、颗粒水平速度变化、能量分布及颗粒运动轨迹。结果表明:随着喷射速度的增大,管道区域面积也随之增大,时均空隙率范围变大;其动能和势能也增大,但由于初始堆积效应影响,床内颗粒的势能总是大于动能;当喷射速度增加时,床内颗粒势能变化并不明显,而动能变化明显;颗粒在床体内部会形成外循环和内循环2个循环,内循环时流化状态更好。本文结论对后续实验室规模的三维流化床系统快速模拟具有参考价值。     

双机组风力机尾流互扰及阵列的数值模拟

为合理布置风力机,尽量减小风力机尾流的影响,提高风电场效率,采用Fluent 6.3软件,结合尾流理论分别对单机、2台串列、并列及错列布置的风力机进行数值模拟。通过比较单机风力机下风向流场分布和尾流模型计算结果,验证数值模拟合理性;比较单机及各种布置方式的输出功率、流场分布,对风力机间相互影响及互扰损失进行分析。结果表明:串列布置时,下风向叶轮对上风向机组发散状尾流有收敛作用,下风向机组受上游尾流影响较大,功率明显降低;并列及错列时被干扰机组受参考机组尾流挤压,但功率受影响较小。     

基于风力机尾流排斥的平坦地形风电场微观选址优化

平坦地形风电场微观选址的优化研究中,常采用带有随机量的元启发式算法,这些算法难以达到全局最优,优化效率较低,且通常需要通过划分网格、增加约束才能得到稳定解。针对这些问题,文中提出了一种专门针对平坦地形风电场微观选址的高效且有稳定优化解的元启发式算法——风力机尾流排斥优化算法。参考范德华力原理,提出了风力机尾流排斥力的概念,用于描述风力机在尾流作用下的相互影响:2台风力机之间尾流作用越大,风力机尾流排斥力也越大。在算法优化过程中,风力机会在风力机尾流排斥力的作用下向使尾流减小的方向不断移动,直到达到最优解。仿真结果表明:风力机尾流排斥优化算法不需要网格约束,优化效率高,能得到确定的优质解,且优化结果符合实际工程要求。     

风力机尾流扰动对大气底层边界层的影响

风力机尾流湍流特性及其对大气底层边界层的影响至关重要,采用雷诺平均N-S方程（RANS）对5MW单台风力机在相同速度廓线不同温度层结下的尾流进行数值模拟,分析风力机下游速度、温度和湍流强度气象因素在不同设置下的变化及特征,得到风力机运行对大气底层边界层的影响机理,为高效率风电场的建立提供一定的理论基础。研究表明：气流经过风力机后,速度明显衰减,且在轮毂附近衰减最大;不同稳定层结下的温度变化差异大;同时风力机叶片旋转产生的涡相互影响,使得湍流扰动加强。     

基于虚拟叶片模型的阵列风力机尾迹研究

研究考虑尾流效应的风电场气动控制策略优化技术,减少风电场尾流效应,是当前风电技术研究的热点之一。基于VBM模型研究了1.5 MW同轴阵列风力机和9台错列或顺列布置风力机的尾流效应及气动偏航控制策略。通过调整风机偏航角度,改变尾流流动方向,得到了偏航角度对上下游风力机性能及全场功率水平的影响。研究发现,偏航控制可将尾迹偏离下游风轮中心位置,对上游风力机使用基于偏航的控制策略尾迹偏移效果显著。对于同轴阵列风力机,当上游风力机使用偏航控制时,上游的输出功率减小,但下游的输出功率增大,25°偏航控制时,下游风力机功率可增大59.1%。     

图像修复的格子波尔兹曼方法

通过各向同性的格子波尔兹曼模型模拟图像修复的过程,通过将图像的曲率和梯度等几何信息嵌入到LBM微观演化方程的松弛因子中,实现曲率驱动的各向同性扩散以达到图像修复的目的.实验结果表明,LBM图像修复方法可以得到很好的修复结果,且修复效率优于经典的BSCB模型和TV模型算法.     

基于异步电机的风力机特性模拟

分析了风力机的运行原理,对比了风力机与异步电动机特性的异同,提出了简单有效的转速控制方案,搭建了"工控机+数据采集卡+变频器+异步电机"的风力机模拟平台,应用LabVIEW软件开发了上位机界面.将该风力机模拟系统应用于新型的定子双绕组感应风力发电系统,实现了模拟风力机在不同风速及不同负载下按照风力机的特性运行,满足了定子双绕组感应风力发电系统进行最大风能追踪的控制策略研究.实验结果表明,该方法实现简单、控制精确,可方便用于实验室条件下风力发电技术的研究.     

风力机不同风况的动力学响应研究

风场风况是影响风力机气动和结构特性的直接因素,进而影响功率输出、稳定性和控制策略。在三维风场建模的基础上,对5种不同风况下的风速及相干湍流风的时域变化进行了模拟。结合气动计算结果对各风况下的叶尖挥舞和摆振位移,叶根挥舞、摆振、变浆力矩进行了动力学响应仿真,得到其各自的动态响应。控制策略采用变桨、变风速控制,极限风况下采用定时顺桨控制。结果发现克赫波更适合极限风况的仿真,并且通过添加相干湍流到基础湍流上能模拟拟序结构。同时,研究表明相较于参考风速为额定风速,在切出风速下,叶尖位移同时体现为挥舞和摆振,且变化频率、剧烈程度都增加;叶根载荷中挥舞弯矩均值较小,但在短时间内波动跨度大,是风力机叶片产生疲劳的主要载荷。     

错列布局风电场尾流演变实验研究EI北大核心CSCD

在规模化风电场中,多机组尾流相互干扰对机组能量转换、区域大气边界层结构有着显著的影响。为研究湍流来流条件下错列布局风电场尾流演变统计特性,在边界层型风洞中,错列布置6排15台水平轴风力机阵列,利用热线风速仪对尾流场进行高频率数据采集。结果表明:相比串列布局,错列布局能够显著提高尾流主流向速度恢复水平,具有提高输出功率的潜力;同时,降低风电场内部流动相关性,风力机迎风面的湍流积分尺度变小;风电场采用紧凑布局时,需要考虑上游两侧风力机后方的局部高湍流强度区对下游风力机叶尖载荷的影响。基于速度谱分析,进一步量化在流场能量输运过程中,各尺度涡旋运动对尾流湍动能贡献度的变化,在近尾流区,流场受到风力机旋转的显著影响,而在远尾流场,低频、大尺度的尾流蜿蜒成为主导。     

基于直流电动机的风力机特性模拟

为采用直流电动机模拟风力机特性以满足实验室风力发电研究的需要,分析了风力机和直流电动机的运行原理,探讨了各自的功率及转矩特性,对比研究了两者运行特性的异同。制定了实现简单、特性优良的转矩模拟方案,它通过控制直流电动机电枢绕组电流来实现风力机转矩特性的模拟。建立了由PC机、数据采集卡和晶闸管调速器构成的风力机模拟硬件平台,开发了风力机模拟监控软件,在此基础上组成了完整的风力机特性模拟系统。对风速变化及机组转速变化两种典型运行条件下的风力机运行特性进行了模拟实验,模拟结果与理论数据达到了高度的吻合。基于转矩模拟算法的风力机特性模拟方案,可方便地应用于实验室条件下风力发电技术的研究。     

基于直流电机模拟风力机的静态和动态特性

分析了风力机的静态和动态转矩特性，确定了风机模拟器的主要模拟对象，建立了风力机模型；制定了简单有效的转矩控制方案，搭建了基于DSP的直流电机风力机模拟硬件平台，应用LABWINDOWS开发了上位机界面。该风力机模拟系统不仅可以模拟不同风速时风力机的静态转矩特性，也可以模拟风塔效应和剪切效应所造成的转矩脉动，满足变速恒频风力发电系统研发的需要，可方便用于实验室条件下风电技术的研究。     

风力机特性的直流电机模拟

分析了风力机运行特性,通过仿真及实验验证了采用直流电机的输出特性模拟风力机特性的可行性,给出了一种实现的系统和方法,为在实验室条件下模拟风力机运行提供了一个实用的方法。     

风电机组动态尾流频域特性分析与建模

在大型风电场中,机组间尾流效应会增加下游机组疲劳载荷,对机组运行安全造成不良影响。通过大涡模拟,在给定风况下开展测试,获取1台风电机组的动态尾流。利用数据驱动的动态模态分解方法,构建动态尾流的线性降维模型,通过2种定量化指标,验证了这种线性降维近似方法的有效性,并探索了模型阶次与模型适配度的相关性。在此基础上,通过对主要动态模态的频域特性分析和可视化分解,明确了风电机组动态尾流的主要低阻尼模态。结合傅里叶变换方法,研究了尾流区域中近尾流区与远尾流区的频域特性差异。研究结果表明,动态模态分解作为兼具系统辨识与频域分析的方法在风电机组动态尾流的建模中可以取得较高的建模精度,在时域与频域角度均有较好的适应度。     

基于玻尔兹曼函数的光伏MPPT系统研究

光伏发电系统的效率很大程度上决定于其最大功率点的跟踪。介绍了光伏电池电路模型,在Matlab/Simulink环境下对光伏电池的电气特性进行了仿真,分析了光伏电池最大功率点跟踪控制原理,利用玻尔兹曼函数自适应算法,设计了一基于三重Boost电路的最大功率点跟踪系统,并进行了仿真和实验研究;仿真和实验结果证明所设计的方法是可行的。     

利用LBM方法模拟金属氢化物储氢罐内氢气脱附的传热与传质*

采用一个二维数学模型来评估金属氢化物储氢罐中氢气脱附过程中的传热和传质。模拟采用了具有D2Q9结构的格子玻尔兹曼方法(LBM),对加热流体温度、出口压力及流体与金属氢化物罐之间的对流传热系数等操作参数进行了研究,以确定它们对脱附过程性能的影响。加热液体的温度对脱附过程有重大影响。随着流体温度的升高,由于床层温度大幅上升,氢气脱附量急剧增加。此外,出口压力的降低也会显著加快脱附速度。在对流系数达到一定量前,氢气脱附会得到加强。     

基于直流电机模拟风力机的静态和动态特性

分析了风力机的静态和动态转矩特性,确定了风机模拟器的主要模拟对象,建立了风力机模型;制定了简单有效的转矩控制方案,搭建了基于DSP的直流电机风力机模拟硬件平台,应用LABWINDOWS开发了上位机界面。该风力机模拟系统不仅可以模拟不同风速时风力机的静态转矩特性,也可以模拟风塔效应和剪切效应所造成的转矩脉动,满足变速恒频风力发电系统研发的需要,可方便用于实验室条件下风电技术的研究。     

基于无刷直流电机的风力机特性模拟

为了能在不具备风场环境的实验室条件下对风力发电技术进行研究,设计了一套新型的风力机模拟器实验平台.首先分析了风力机运行原理,通过控制无刷直流电机电枢电流来模拟风力机转矩输出特性;接着建立了适用于定桨距风力机的动静态模型,制定了精度较高的转矩闭环控制方案,在MATLAB/Simulink环境中,采用转矩补偿策略分别对定风...