风力机三维尾流模型研究与验证

考虑风剪切效应,提出一种高斯形状的三维尾流模型（3DG-k）。该模型定义尾流半径rw等于两倍的高斯特征参数σ,并与物理尾流边界的扩展系数k建立联系,来描述风轮后尾流边界的演变规律。通过GH风洞实验数据、Nibe风电场实测数据、Vestas V80-2 MW风力机大涡模拟数据,对3DG-k模型、Jensen模型、三维高斯模型（3DG）及三维椭圆高斯模型（3DEG）进行对比分析。研究结果显示,3DG-k模型在3种案例中均显示出最佳的预测精度,更适用于工程实际应用。     

建筑物尾流区风资源利用的数值模拟

基于Fluent软件,利用标准的湍流模型,针对不等高的相邻建筑物建模,下游建筑物完全处于上游建筑物尾流区内,分析了上下游建筑物高度差对上游建筑物尾流区的影响:同一下游建筑高度下,越远离建筑物前沿,风速比越小;在上游建筑物尾流区内,随着下游建筑物高度的升高,风速比的峰值会相应升高。假定进口风速为5 m/s,结合1 000 W的小型风机,比较了下游建筑物不同高度下风机的输出功率,可知:当下游建筑物较低时,风机安装位置风速低于启动风速;随着下游建筑高度的升高,输出功率提升。     

不同条件下海面热尾流红外辐射特性研究

综合考虑波动海面的遮挡和周围环境对热尾流辐射亮度的影响,建立了热尾流红外辐射模型。通过计算3~5μm和8~12μm两个大气窗口下探测器接收到的热尾流红外辐射亮度,得到了热尾流红外辐射特性与风速、探测器高低角和尾流温度之间的关系。从红外探测的角度,利用辐射对比度参量研究了热尾流目标与海洋背景在探测器处的差别,得到了热尾流与海洋背景的对比度在风速和探测器天顶角变化时的变化规律。研究结果为海面热尾流的红外探测提供了理论参考。     

风剪切下风力机组俯仰控制策略研究

为增加风电场总输出功率,采用大涡模拟(LES)方法,利用致动线法(ALM),基于开源CFD软件OpenFOAM对风剪切下的风力机组4种风轮俯仰工况进行数值模拟,对比每种工况下的风电场总输出功率,并结合流场参数分析输出功率存在差别的内在原因.结果表明:风电场上游风力机尾迹可对下游风力机性能产生严重影响;风轮俯仰角增加时,...     

风剪切来流对风力机近尾迹流动特性影响

在风剪切来流风况下,对WindPACT 1.5MW风力机近尾迹流动特性进行了数值计算,同时研究了三种风剪切系数(0.1、0.2和0.3)对风力机近尾迹流动特性的影响。基于雷诺平均不可压N-S方程的计算流体力学方法数值模拟三维非定常的风力机流场,其中,湍流模型选取Shear Stress Transport k-ω湍流模型。研究结果表明:在近尾迹区域,来流空气的轴向诱导因子和切向诱导因子受到旋转叶片的强烈影响,并在风力机下游形成明显的轴向速度亏损。这种轴向速度亏损随空气向下游流动过程中,逐渐减弱。轴向诱导因子和切向诱导因子受风剪切影响,呈非周期性分布,并且风剪切系数增加,这种影响随之增强。     

水平轴风力机三维全尾流模型推导及验证

为进一步了解整个尾流区域的速度衰减空间分布特征,提出一种三维全尾流模型。首先,采用高阶高斯函数预测尾流剖面,其在近尾流区由顶帽形演变为远尾流区的高斯形;其次,考虑风切变效应,引入风切变入流与均匀入流的风速差;此外,考虑到尾流膨胀的各向异性,在垂直方向和水平方向采用不同的尾流膨胀系数;最后,通过风场实验验证所提三维全尾流模型的准确性,结果表明所提出的全尾流模型预测的相对误差基本在5%以内,能够较好地预测整个尾流区域的三维分布。     

基于叶素理论的非稳态风轮转矩模型

基于叶素理论,建立在风剪切、风尾流以及塔影效应影响下5 MW风力机叶片转矩特性数学模型,采用分段差分方法拟合风力机升力系数和阻力系数,采用动态尾流模型和差分算法计算诱导速度,通过设定风速得出了叶轮转矩、机械功率等仿真结果,仿真结果验证了理论分析的正确性。研究结果对独立变桨控制器的设计具有参考价值。     

沿海滩涂风力机近尾流风速分布特性研究

为获得风力机近尾流风速在垂直方向和水平方向的变化规律,提出一种测量风力机近尾流区风速的实测方法。针对某沿海滩涂风电场,采用2台搭载风速仪的无人机对近尾流区进行测量。结果表明：垂直方向,尾流和来流风速比值在1.0D~2.5D处（D为风轮直径）随着高度的增加呈先减小后增大的趋势,在轮毂中轴线处存在最小值0.53~0.68;风速比值沿轮毂中轴线呈非对称分布。0.5D处风速比值分别在上下风轮处存在2个极小值0.56和0.50。水平方向,风速比值在1.0D~3.0D处沿径向距离从左向右呈先减小后增大的趋势,在轮毂中轴线处存在最小值（0.54~0.78）;风速比值沿轮毂中轴线呈对称分布,随着风轮下游距离的增加呈扩张趋势。最后给出用于A类风场风力机下游尾流风速剖面的预测公式。     

复杂地形下激光雷达测风误差的修正

激光测风雷达(Light Detection and Ranging,LiDAR)在大气边界层观测试验中的应用越来越广泛。测风精度对风资源评估非常重要。复杂地形流场的非均匀性导致激光测风雷达测风的误差,可能对相关的工程应用造成系统风险。文章给出了基于流体模型修正LiDAR测风误差的算法,并利用德国Fraunhofer IWES测试站同期LiDAR和风杯观测数据验证了算法的有效性。研究发现:(1)80 m高度各风向LiDAR的实测误差为-5.0%~2.5%,平均为1.2%;(2)稳态雷诺平均计算流体力学软件Greenwich CFD可用来修正复杂地形下LiDAR的观测误差,估算的分风向LiDAR测风误差和实测的LiDAR测风误差趋势是一致的,且模拟表明,Cosine型的误差形状与场址地形特征直接相关;(3)线性流体模型WAs P不能有效刻画坡度超过15°地形的流场特征,基于WAs P的复杂地形LiDAR测风误差修正是不可靠的。     

平坦地形风剪切特性的研究

研究了山东、江苏、河南等区域平坦地形风剪切的特性,包括风切变指数随高度的变化、日内变化以及月变化特性。通过分析150 m高度测风塔完整年的数据,发现不同区域风切变指数随高度呈现不同的变化特性,即：最高层风切变指数最小,100～150 m高度风切变指数变化平缓,次高层约130 m风切变指数减小、风切变指数随高度呈现波动的特性。风切变指数的日内变化呈中午前后较小、夜间及凌晨较大的特点,且该规律在100 m高度以下尤其显著。风切变指数的月变化在100 m高度以上无规律性,在100 m高度以下呈平缓增加和波动的特性。     

复杂地形下风力机尾流数值模拟研究和激光雷达实验对比

以CFD数值计算和实验相结合的方法,对处于中国西南某多山地区陆上风电场的尾流特性进行研究,验证不同数值方法在复杂地形的适用性。首先采用2台激光雷达,测量目标风力机一个月内的自由来流风速和尾流廓线,在地形上坡加速效应下,不同大气稳定度下目标风力机的自由来流风速廓线均呈负梯度。然后分别采用经典致动盘和改进致动盘法,模拟目标风力机在主风向下的尾流发展。不同于只有风速与压降关系的经典致动盘法,改进致动盘法更考虑了叶片几何和气动参数(尺寸信息、攻角、桨距角、升阻力系数等)。通过与后置激光雷达尾流测试结果对比,这2种基于CFD技术的数值模拟方法,计算网格相同,计算时间相当,且均能较好地模拟因为复杂地形而引起的尾流偏转;其中改进致动盘的尾流形状与激光雷达相似,速度亏损也更接近激光雷达结果。因此,改进致动盘法更适合于复杂地形条件下风场模拟,较好平衡了计算的效率与精度。     

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。     

基于风剪切和塔影效应的风力机风速动态建模

在对三桨叶上风向水平轴风力机的风剪切和塔影效应深入分析的基础上,得到了整个风轮扫掠面上的风速动态模型.并考虑了轮毂高度、轮毂风速、风剪切系数、叶片半径、塔架半径、悬垂距离等参数对计算模型的影响,对一台2MW风力机进行了计算和对比分析,为深入研究风力机的独立变桨、功率控制、疲劳、动力稳定性等奠定了基础.     

基于SCADA数据的风电机组群尾流效应计算与验证研究

准确评估风电机组尾流导致的发电量损失是风电场设计的重要环节。基于高斯尾流模型,根据动量守恒,引入有效风速衰减计算叶轮面内风速衰减,利用国内某海上风电场SCADA数据,从径向和轴向尾流损失分布两方面进行验证和分析。结果表明,高斯有效风速衰减尾流模型模拟的尾流分布更符合实测尾流损失规律,径向和轴向模拟结果与实测结果相关性超过0.92,有效风速衰减法的精度比叶轮中心风速衰减法提升30%～40%;与Jensen和Frandsen模型相比,高斯有效风速衰减尾流模型的表现更为稳定,有效风速衰减法提高了高斯模型计算精度,更适用于风电场产能评估。     

尾流算法与风向变化对海上风机排布影响研究

  [目的]  为了获得海上风场的最优机位排布方案,提升海上项目在全生命周期内的经济收益,必须对影响发电量的关键因素做详细分析。  [方法]  结合海上风场工程项目的实际案例,基于自主开发的海上机位自动优化算法,分别应用Jensen和Larsen两种单机组尾流模型的技术理论,对比了多机组间三种不同的尾流组合叠加方式,并考虑了风向年际变化对现有机组排布的影响,给出了对应的最优机位排布方案。  [结果]  计算结果显示:海上风向的年际变化是影响机位排布的关键因素,使用不同尾流模型对机位排布的影响较小,多机组间尾流叠加方式对机位排布没有影响。  [结论]  研究成果为工程项目中最优机位排布的选择提供了关键依据,避免了风场25年全生命周期内上亿元的经济损失。     

偏航与变桨工况对风力机尾流特性影响研究

风力机的偏航与变桨可有效降低风轮对风能的捕获能力.为分析风力机处于变桨与偏航两种状态下其尾流及输出功率特征,文中采用修正的风力机致动线模型,以NREL 5 MW为研究对象,结合大涡方法,从两种偏航角度(以+z为轴顺时针旋转10°和15°)、两种变桨角度(增大桨距角12°和减小桨距角8°)展开模拟研究.研究结果表明:风力...     

温度分层环境中水面船模气泡尾流电导率特性的实验研究

为了研究温度分层和气泡对水面舰船尾流电导率信号影响的规律,在有无气泡两种情况下,分别在恒温水槽和温度分层水槽中检测了水面船模尾流的电导率信号,并分析了水面船模航速对温度分层环境中船模气泡尾流电导率信号的影响.实验结果表明:无论温度分层和气泡是否存在,都不会改变尾流核心区电导率信号随深度增加而降低的特征;与恒温流场相比,温度分层的存在使得尾流宽度变小(例如由恒温流场时的2.2 B(船宽)降低为1.5 B);在温度分层环境中船模低速航行时的气泡尾流半宽约为高速航行时的二分之一;气泡的存在使得尾流的电导率信号波动变大;当温度分层和气泡同时存在时,在尾流的上层内气泡引起尾流电导率信号降低的作用基本被温度掺混造成的影响抵消,但是气泡的上浮运动会加速尾流上层温度的降低.     

不同配风方式下层燃炉煤层NO_x析出特性研究

层燃炉中大颗粒煤燃烧特性与煤粉燃烧特性差别很大,为了准确掌握层燃炉煤中氮元素的析出规律,在层燃单元体炉上进行了不同配风方式下煤层表面NOx析出特性的对比实验。实验中测试了不同煤种煤层表面NOx浓度和O2、CO2、CO、H2浓度,并将不同配风方式下数据进行了对比分析,得到了层燃炉煤层表面NOx浓度沿炉排呈现双峰分布的特点,在煤层引燃5 min左右NOx形成第一个峰值,内蒙煤最大峰值为769 mg/m3,淮南煤最大峰值为695 mg/m3;同时得到了不同配风方式下煤层表面NOx析出双峰的变化规律,为实际工业锅炉低NOx燃烧运行提供理论依据。     

舰船尾流横截面上的激光散射特性

根据Mie散射理论，在认为气泡不相干的情况下，计算了单个气泡在不同散射方向的散射强度，得出舰船尾流某个横截面上气泡群的光散射特性。计算结果表明，气泡群的后向散射增强非常明显；舰船尾流横截面上尾流中心气泡的散射强度远大于尾流边缘处的散射强度，说明利用舰船尾流中气泡与背景海洋中的气泡对光散射的差异来作为鱼雷自导的一种手段是可行的。     

水平轴潮流能水轮机尾流特性研究

文章以水平轴潮流能水轮机为研究对象,采用CFD方法对水轮机的尾流特性进行分析。通过网格无关性验证与已发表文献的比对,验证了CFD方法的精度。通过不同叶尖速比下的水轮机性能曲线,进一步分析了水轮机的尾流场速度分布特征。通过分析尾流场中轴向、径向和切向速度的分布特点,研究了水平轴潮流能水轮机尾流的微观结构特征及其演化规律。研究结果表明:尾流横向影响范围在以中心轴线为中心的1D范围内;在近尾流处,尾流速度具有周期性,轴向速度随着尾流下移而逐渐减小;在尾流旋转过程中,径向速度向外扩散并逐渐衰减,切向速度分量沿轴向逐渐衰减。