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。     

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.     

风场风谱模型的分形维数研究

为定量地描述湍流风场,降低湍流风谱模型选用时的盲目性,采用基于分形学的计盒维数法和Hausdorff维数法计算并分析风场风速时间序列数据的分形维数。选用Kaimal、SMOOTH和NWTCUP等湍流风谱模型,在不同风速和不同湍流强度的条件下进行风场仿真,得出不同波动程度的风速。利用MATLAB求解出每组数据的分形维数,并与某一风场的实测风速数据的分形维数进行对比,得出NWTCUP模型的分形维数与实测数据的分形维数最为接近。初步研究结果表明,分形维数可以作为选择湍流风谱模型的一个重要定量参数。     

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。     

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。     

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。     

风电场运行对局地边界层气象因素影响

以5 MW风力机组成的风电场为研究对象,采用湍流理论和大气流动特征,分析不同下垫面情况下风电场运行时局地边界层气象因素的变化过程,利用UDF函数编译风电场入口边界条件及不同的地表粗糙度,并利用风洞试验验证模型计算的正确性。研究表明,风电场的存在会减小边界层大气能量并增加湍流动能,具体结果表明:风电场下游风速减小,且风速随着地表粗糙度的增大逐渐降低,速度恢复率逐渐降低;湍动能随着地表粗糙度的增大空间非均匀分布特性更加明显;温度沿垂直方向略微降低,且随着地表粗糙度的增大影响程度加深;同时随着风电场装机规模的不断扩大,其影响范围及程度也增大。     

湍流预混火焰的分形特性

采用高速纹影摄影法获得了定容燃烧弹内预混湍流火焰的图像，分别用数盒子法和像素点覆盖法计算出了火焰图像的分形维数。湍流火焰的分形分析结果表明，定容燃烧弹内的预混湍流火焰结构具有分形特征，且属于非充分发展的湍流火焰。湍流火焰的分形维数反应了湍流脉动对火焰片的褶皱程度，湍流强度增大加剧湍流火焰前锋的褶皱，分形维数也随之增加。在相同湍流强度下，小尺度湍流对火焰前锋的褶皱作用更大。     

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。     

湍流扩散火焰细微结构特性分析

利用光学显微技术和计算机图象处理技术 ,在实验基础上 ,对湍流扩散火焰的细微结构进行分析和研究 ,从经典几何和分形几何两个不同角度对湍流扩散火焰细微结构曲线的特性进行定性描述 ,分析火焰细微结构曲线的两个特性参数——曲线度和分形维数与火焰热辐射强度的关系。     

3.5 m×2.5 m风洞大气边界层被动模拟实验研究

为实现风洞大气边界层的准确模拟,提出一种综合多个参数几何比例一致性分析的风洞大气边界层被动模拟实验。实验布置8种不同湍流发生装置布局的工况以模拟不同地形,通过对平均风速、湍流强度、湍流积分尺度以及功率谱随高度变化的测量,开展考虑模拟地面粗糙度与大气边界层高度比例因子一致性的大气边界层模拟研究,并对比分析尖劈和粗糙元对模拟流场的影响。实验研究表明:在3.5 m×2.5 m风洞中建立的模拟大气边界层流场,可实现符合ASCE 7标准比例因子为1∶200的A地形及符合RLB-AJJ标准比例因子为1∶300的B地形模拟。     

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。     

平顶建筑物顶面风力机安装位置和高度的研究

采用CFD方法,对放置于某风场的长方形平顶建筑物(长×宽×高=12.4 m×2.4 m×3.1 m)顶面的风资源特征进行模拟计算,计算中同时考虑中性大气边界层和地表粗糙度的影响,分析4个不同风向条件下建筑物顶面15个参考位置的风速增大系数和湍流强度随高度的变化规律,确定屋顶风力机的适合安装位置和高度。结果表明:平顶建筑物顶面安装风力机时其安装高度至少要达到1.3H(H为建筑物高度),以避开强湍流区域;在高于建筑物顶面0.5H高度后,建筑物顶面各位置出现风速增大现象,而当高于建筑物顶面2.0H后,风速增大系数趋于定值;当风力机安装高度高于建筑物顶面0.5H~2.0H时,长方形平顶建筑物顶面15个参考位置均可安装风力机。     

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。     

采用修正逆傅里叶变换法的空间湍流风场建模研究

文章采用幅值谱修正的逆傅里叶变换法(IFFT)对空间湍流风场进行建模。首先,基于Fourier-Stieltjes积分从数学上推导了频谱的复共轭对称序列表达式。然后,根据Kaimal风速目标谱确定模拟点的风速傅里叶幅值谱,结合模拟点与相邻点的互功率谱确定该模拟点的相位信息;根据目标谱修正模拟点的风速幅值谱,产生具有时间和空间信息的风速时程序列。最后,对时程序列进行谱分析,并和Kaimal谱进行对比。结果表明,采用幅值谱修正的IFFT法得到的风速时程序列的功率谱密度(PSD)和目标谱的拟合度远优于传统方法,且计算效率提高62%。     

基于分形理论的粗粒土缩尺效应及强度性质研究

基于分形理论研究了同种材料不同缩尺方法和不同缩尺粒径对分形维数的影响,并通过常规三轴剪切试验建立了分形维数与抗剪强度指标的相互关系。结果表明,与原型级配的粒度分形曲线相比,不同缩尺法得到的粒度分形曲线形态有较大差异,缩尺级配的分形维数均小于原型级配的分形维数,分形维数在数值上能表征土的级配;不同缩尺法得到的峰值强度变化规律与分形维数变化规律一致,在高围压下分形维数越大,不同缩尺法之间的峰值强度差也越大;凝聚力c随着分形维数的减小而增大,而内摩擦角φ随着分形维数的〖JP2〗增大而增大,两者近似一抛物线关系,并根据拟合表达式推导出了原型级配的φ值,具有一定的工程指导意义。     

风力发电随机风速时间序列生成方法分析与评价

本文介绍了分别基于威布尔分布模型、组合风速模型和风轮等效风速模型的风力发电随机风速时间序列生成方法,给出了3种随机风速生成方法的详细过程并计算了给定参数下随机风速时间序列结果。为了对3种不同方法所获得的随机风速时间序列数据进行评价,采用风功率谱密度分析技术对随机风速时间序列进行分析,分析结果说明风轮等效风速模型不仅能够较为准确地体现自然界风速功率谱的分布,而且还能体现三叶片风电机组旋转作用的等效效果,在研究风电场电能质量以及并网运行方式对电网影响的场合具有很好的适用性。     

湍流预混火焰结构的测度分形研究

本文利用图像可视化技术，在小型火焰试验台上获得了Ｒｅｄ＝４３３５～１１１００范围内的燃气预混火焰的湍流热图像序列，并对２维湍流结构参数进行了测量。结合基于测度分析的分形理论，研究了湍流火焰的分维特性，结果表明：湍流火焰的２维形状结构具有分数维特性，且维数在２．０５～２．２６范围内。在此基础上，得到维数与Ｒｅｄ、热释放率及１次风流量等燃烧控制因子的依变关系，并讨论了湍流火焰分维结构的内在机理。     

基于Windographer的某区域风电场风资源分析评估

根据甘肃省某区域风电场测风塔10 m、40 m、60 m、80 m高度的实测风数据,利用Windographer4.2风资源分析软件计算空气密度、平均风速和风功率密度年内变化和日变化、风速和风能频率分布、风向频率和风能频率方向分布、风切变指数、湍流强度和50年一遇最大风速等指标参数。其计算结果表明测风塔80 m高度年平均风速为6.93 m/s,年平均风功率密度为354 W/m~2,年有效风速(3.0～25.0 m/s)时数为7 200 h以上,盛行风向稳定。60～80 m高度湍流强度在0.072～0.080之间,小于0.12,湍流强度较小。综合判定该区域风能资源较为丰富,符合大型风电场建设条件,适宜进行大规模风电开发利用。