风力机运行对近地层风速及湍动能影响的研究

为研究风力机运行对大气边界层的潜在影响,采用GAMBIT软件建立风力机及风场模型,应用UDF技术加载边界层速度分布函数作为流场入口边界条件,基于尾流特性及湍流理论,应用FLUENT软件对单台风力机运行对大气边界层底部近地层的影响进行模拟,通过分析风力机下游流场的特点来探索风力机对大气边界层内的速度及湍动能的影响,以期分析边界层的变化情况。结果表明,风力机的运行使边界层内风速、湍动能均发生较大变化,这将进一步影响边界层某些参数,进而可能改变风电场周边的环境气候。     

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。     

剪切来流条件下风力机尾流场特性实验研究

以水平轴风力机模型为研究对象,利用一维热线测速技术,在Eiffel型风洞中研究了湍流边界层条件下风力机尾流场特性。实验结果表明,和平均速度、湍流强度等特性一样,湍流积分时间在尾流场中也出现衰减,并随风力机下游距离增加逐步恢复,在x/dT (28) 10处,约恢复至来流的70%;受边界层影响,3种流场特性在竖直平面均呈非对称分布。基于频谱分析,在尾流场不同位置,不同尺度湍流结构对流场湍动能量的贡献度分布情况不一样。在风轮区域内,尾流场中湍动能量在近流场主要受风力机旋转影响,在远流场,尺度大于风力机直径的低频微团则起到主导作用,同时,基于无量纲的斯特劳哈尔数表明,在远流场(x/dT (29) 4)存在不稳定的尾流弯曲现象。     

多台风力机运行对近地边界层影响的模拟分析

通过分析风力机运行时竖直方向上风速及湍动能的变化情况,研究多台风力机运行对近地边界层的潜在影响。采用Gambit软件建立多台风力机及风场模型,并利用Fluent软件对4台风力机顺列和错列2种布置方式下的流动进行数值模拟。结果表明:由于风力机的转动,对近地边界层中的速度和湍动能分布都带来一定的影响,同时,边界层高度也随速度沿竖直方向分布的不均匀性而增高;不同高度处风速和湍动能的变化规律是不同的;在距离风轮上部3倍直径高度处,速度沿流向开始有小幅度的降低,且错列布置速度衰减幅度要高于顺列布置时;湍动能沿流向逐渐降低,在叶轮位置上空处有着阶跃型变化,整体上错列布置湍动能要高于顺列布置同一位置处。     

基于格子玻尔兹曼方法的风力机尾流特性研究

为研究风力机尾流特性,采用基于格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)和大涡模拟方法(large eddy simulation,LES),通过壁面自适应局部湍流模型数值模拟New MEXICO (model rotor experiments in controlled conditions)风力机尾流并验证模型。然后研究不同入流湍流强度及动态入流条件下NREL 5MW (National renewable energy laboratory)风力机尾流结构。结果发现：LBM模型准确模拟了实验风力机轴向和径向速度分量及涡量分布,但是叶片中段附着涡耗散偏快;高湍流入流工况下,叶尖涡和叶根涡更早发生破坏;动态入流工况下,风力机尾涡耗散速度随着入流风速增加而变慢,螺旋结构的涡间距增大,尾涡持续距离变长,尾流膨胀效应减弱。入流风速变化10s后稳定,风力机的推力系数保持剧烈波动。     

空气的压缩性对湍流边界层流场时均量的影响

为研究空气的压缩性对湍流边界层流场时均量的影响,对来流Mach数(Ma)分别为0.058、0.233、0.466、0.874和1.457的二维、定常边界层湍流流场进行了数值模拟计算。结果表明:空气的压缩性对速度边界层和温度边界层粘性底层区速度和温度分布影响较小,但会使完全湍流区速度和速度梯度、温度和温度梯度变大;对分子扩散过程影响极小,而对湍流扩散过程影响较大;当局部Reynolds数大于1×106且来流Ma大于0.466时,使得平板局部摩擦阻力系数较不可压缩态变小,而局部传热系数较不可压缩态变大。比较模拟计算结果和不可压缩态下经验公式的计算结果表明,模拟计算结果真实可靠。     

同轴反桨双风轮垂直轴风力机气动特性分析

对一种新型同轴反桨双风轮垂直轴风力机的气动特性展开研究,采用计算流体动力学方法对双风轮风力机进行了动态分析,并通过求解三维非定常N-S方程,得到风力机的气动载荷,与实验对比验证了该方法的有效性。研究结果表明:当尖速比为4时,同轴反桨双风轮垂直轴风力机下风轮相对于单风轮风力机的功率系数提高0.3%,而上风轮功率系数则提高3.2%;双风轮风力机尾流速度亏损大于单个风力机尾流速度亏损,在风场布机中有较大优势。当尖速比为4时,同轴反桨双风轮风力机内部复杂的涡流变化比较剧烈,其对风力机尾流变化也会产生较大的影响,此外,同轴反桨双风轮风力机内部的叶尖涡变化没有单个风力机内部叶尖涡变化明显。     

湍流对大气尘埃或污染物垂直分布的影响

本文应用普朗特混合长理论导出的属性输送通量密度的交换公式,引进布德柯和拉依赫特曼湍流系数模式,从而导出不同形式的大气尘埃或污染物含量垂直分布表达式.分析认为:任意层结下的湍流系数随高度线性增加时,大气尘埃或污染物平均含量(?)随高度呈幂指数变化;若湍流系数随高度呈幂指数变化时,大气尘埃或污染物平均含量(?)随高度呈ε次幂变化.     

空冷岛对周围大气流场影响数值模拟

空冷岛的布置会对周围大气流场产生影响,使边界层内参数发生变化。本文使用Gambit软件建立了空冷岛模型,为使模拟结果与实际情况更接近,通过自定义程序(UDF)加载大气边界层函数,并针对不同的温度层结,设置了不同的温度分布函数,最后应用Fluent软件对空冷岛对局地环境的影响进行了模拟分析。结果表明:在空冷岛下游流场区域,由于空冷岛及其周边建筑物的阻碍作用,风速明显减小,而稳定层结对这种影响具有抑制作用,随着向下游流场的延伸,对速度的影响逐渐减弱;空冷岛的热排放使周围的气体混合更加剧烈,湍动能在竖直方向上发生剧烈变化;空冷岛对温度的影响范围主要集中在100m高度以下,随着高度的增加,这种影响逐渐减弱。     

基于LBM-LES方法的典型复杂地形作用下风力机尾流数值模拟

为研究典型复杂地形作用下风力机尾流结构特性,采用了基于格子玻尔兹曼方法和大涡模拟方法的数值模拟方法。为验证计算模型的可靠性,选用3种亚格子湍流模型对MEXICO风力机进行数值计算,发现WALE模型的计算结果更为准确。然后采用WALE模型计算分析了不同坡度典型山丘地形作用下2 MW风力机流场结构,同时与平坦地形中的尾流结构对比发现:位于山丘顶部的风力机尾流与山丘背风面的回流区相互作用,尾流旋涡和背风面脱落涡相互掺杂,尾流会在高度方向上沿坡面下移,坡度越小时,尾流的下移与贴面效应越明显。     

分布式能源系统垂直轴风机特性的数值模拟与分析

研究了一种小型分布式能源系统用阻力型垂直轴风机(VAWT)的特性,在原有风机基础上,将风轮增加为两层。基于流体动力学(CFD)对风机性能进行计算,依据空气动力学原理,模拟风轮与空气的流固耦合作用,分析流场风速分布以及风机在不同旋转角度下的综合受力情况,根据转矩特性,在Matlab中建立风轮的数学模型,然后使用最大功率跟踪控制方法,建立风机发电系统的数学模型,从而仿真得到发电机的电压、电流等发电特性曲线。最后,与实测数据进行对比,验证了数值仿真和分析的正确性,为今后该类风机结构优化设计和效率提升提供了借鉴和参考。     

双馈风电机组MPPT动态功率特性分析

为研究双馈风电机组DFIG最大功率跟踪MPPT动态特性,在Matlab/Simulink仿真平台上建立了功率信号反馈算法的风机MPPT控制模型。以矩形风速为例,理论推导了MPPT静态工作点的过度时间和风机输出能量的计算公式,通过仿真和理论分析了不同转子惯性对风电机组动态功率、转速、叶尖速比、风能利用效率的影响,结合转子动能阐述了双馈风电机组MPPT动态功率特性,指出风机惯性时间常数越大风能利用系数越低。最后比较了几种不同风速下的风机MPPT动态特性,结果表明,随机风的风机转速跟踪能力最差,阵风和渐进风的风机转速跟踪效果较好。     

基于叶素理论的风力发电机组风轮建模

风力机风轮部分的建模对搭建风力发电整机运行仿真模型有重要意义。在风力机空气动力学特性分析的基础上,讨论了两种风轮建模的基本方法。通过对这两种方法的比较,选用基于叶素理论的方法建立了风轮模型。此风轮模型可适用于各种风力发电机,在已知风力发电机的固有参数的条件下,可以得到设定风速、风轮角速度以及调节桨距角下的风轮输出转矩值。由模型输出得到风力发电机的运行特性曲线,对分析风力发电机运行特性,制定相应的控制策略有着重要的指导作用。对模型施加实际风速信号,实现了对风力发电机组运行状态下输出转矩的模拟,并运用权系数来分隔桨叶的叶素,这不但进一步证明了所建模型的正确性,而且更加合理和精确地建立桨叶的气动模型。     

新型介质阻挡放电等离子体激励器的放电与诱导流动特性实验

等离子体流动控制扩大压气机稳定性对等离子体激励器的诱导气流速度提出了更高的要求。进行了新型布局介质阻挡放电等离子体激励器的放电特性与诱导流动特性研究,实验研究不同放电电压和占空比对激励器诱导气流速度的影响,并与传统布局激励器进行了对比分析,探讨其在压气机扩稳实验上应用的可能性。结果表明:相对于传统布局等离子体激励器一个放电周期内有一次"强"放电和一次"弱"放电,新型布局等离子体激励器有两次"强"放电;放电频率为15k Hz时,新型布局激励器的诱导气流速度在较低电压下比传统布局激励器小,在较高电压下比传统布局激励器大,最大速度能达到4.7m/s,因此在高电压下能够更好地抑制压气机叶顶泄露流或泄露涡的流动;两种激励器产生的射流都为紊流,随电压增高诱导气流紊流度增大,且新型布局激励器在高电压下紊流度更大,能更好地促进压气机主流与附面层之间的掺混;固定放电电压和放电频率,两种激励器的诱导气流速度均随着占空比增大而线性增大。     

常用风电机组并网运行时的无功与电压分析

分析了以鼠笼感应电机作为发电机的定速风电机组和以双馈感应电机作为发电机的变速风电机组并网运行对系统潮流的影响,并对不同控制模式下使用双馈感应电机的变速风电机组的电压和无功控制特性进行了比较。仿真结果表明,恒电压控制的变速风电机组在维持风电场并网后的系统电压稳定方面具有较大的优势。     

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。     

超低负荷工况下大功率汽轮机低压缸内温度场分布特性研究

超低负荷下,汽轮机低压缸内的温度分布情况直接影响汽轮机的安全运行。为了更加清晰地分析蒸汽在低压缸内的温度分布特性,采用非平衡凝结流动模型、SST k-ω湍流模型对某300MW汽轮机极低负荷工况下的低压缸流场进行数值模拟,分析了整个低压缸内蒸汽流动特性、做功能力、温度分布以及近零功率时冷却蒸汽参数变化对温度场的影响。结果表明:汽轮机在30%机组热耗验收工况(turbine heat acceptance,THA)时,末级动叶根部出现了回流。在20%THA左右时,末级已经出现了鼓风现象,动静叶顶部出现漩涡,温度明显上升,且此时末级做功为负功率输出。在近零工况下时,低压缸排汽温度与冷却蒸汽流量和冷却蒸汽温度呈线性变化趋势,与冷却蒸汽流量负相关,与冷却蒸汽温度正相关,因此需设置合理的冷却蒸汽流量和温度来控制末两级叶片的出口温度。研究成果可为超低负荷工况下汽轮机的运行提供参考。     

基于混合Copula函数的风电场可用惯量评估方法

针对风电场可用惯量值与标称值可能存在较大误差的问题,提出一种考虑风机风速分布和机组运行工况的可用惯量概率化评估算法.通过对物理影响因素的分析得到风电场平均风速的时空分布特性,进而利用混合Copula函数构建大气湍流影响下的瞬时风速条件概率分布模型;基于双馈风电机组虚拟惯量控制建立风机可用惯量和惯性功率增量的估算模型,并...     

兆瓦级风力机风轮静态特性模拟器的研究

提出一种新型小功率实验平台模拟兆瓦级风力机风轮特性的控制策略.通过对兆瓦级风机转矩特性等功率缩小和低转速特性的准确跟踪,实现风力机风轮静态特性的模拟.利用原动机侧变换器能够模拟兆瓦级风机缩比转矩特性,发电机侧变换器可准确跟踪风机低转速特性.分别针对风速和转速变化两种情况进行了分析,结果表明该方案能准确模拟兆瓦级风力机风...