基于对称山丘地形与风力机耦合的流场数值模拟研究

复杂地形与风力机耦合诱导的流场较平坦地形下的风场流动特性更为复杂。基于致动盘理论和RANS方法,文章针对对称山丘地形与单台风力机间诱导流场的耦合作用,选取对称山丘地形的迎风山脚、迎风面、迎风半山坡、山顶以及背风半山坡5种布机方案进行研究。通过分析上述5种方案下所对应的风力机尾流区不同距离的轮毂高度处的径向风速与湍流强度的分布,以及山丘绕流与风力机尾流特性的相互影响,分析不同排布方案的影响,为复杂地形风电场尾流研究与风力机排布提供理论支持。     

动态风工况下复杂地形风电场流场多尺度仿真

首先在秒级风速数据的基础上构建动态风速函数模拟真实风速工况,同时基于高程数据构建某真实复杂地形的三维结构图。基于格子玻尔兹曼方法并结合自适应格子排布,对复杂地形风电场非定常流场进行数值计算,得到该风电场的风资源分布。之后在典型位置布置2台2 MW风力发电机,考虑真实风力机叶片的动态旋转计算风力机及真实复杂地形在动态风工况下的流场。研究实际复杂地形和动态风速下风电场的风速分布及尾流结构演变规律。结果表明：该方法可实现对复杂地形在动态来流风速作用下的风资源分布预测,并考虑风力机小尺度尾流结构实现对真实风电场流场的多尺度仿真。     

复杂地形风电场非均匀入流条件研究

针对风电场入流条件受复杂地形影响非均匀分布的问题,提出了一种由风力机功率反推非均匀入流条件的方法。以均匀入流条件下复杂地形风场计算为基础,使用致动盘模型模拟风电场尾流效应,获得轮毂入流风速与致动盘平均风速的映射关系,再以致动盘平均风速为中间量,推导功率与轮毂入流风速的对应关系,最终反推非均匀入流条件。通过与CFD计算出的非均匀入流条件对比,误差在20%以内,验证了非均匀入流条件反推法的可行性,可为复杂地形风电场微观选址优化和功率预测提供理论依据。     

Savonius风力机力矩特性的数值计算与风洞试验研究

利用数值计算和风洞试验相结合的方法对Savonius风力机的力矩特性进行了研究。首先在数值计算中选用了2种湍流模型,即单方程Splart-Allmaras湍流模型和双方程k-ε湍流模型,计算了Savonius风力机在不同攻角下的静力矩以及在不同转速下的输出力矩和输出功率,得到了风力机周围的流场,并对流场进行了分析;利用风洞试验对数值计算结果进行了验证,对比分析了不同湍流模型对Savonius风力机力矩特性和风轮周围流场的影响。     

基于烟线法的直线翼垂直轴风力机静态流场可视化试验

为探明直线翼垂直轴风力机自起动性能与风力机叶片迎风角度的关系,设计制作了一台具有3枚NACA0018翼型叶片的直线翼垂直轴风力机模型.通过风洞试验测试了直线翼垂直轴风力机在不同风速下自起动性与叶片迎风角度的关系;利用烟线法对风力机的静态流场进行了可视化试验,获得了不同叶片迎风角度下风力机周围流场的流迹线图像;分析了风力机自起动性与叶片翼型、叶片个数、叶片受力情况和周围流场的关系.     

不同湍流模型对水平轴风力机三维粘性气流特性的影响

对某水平轴风力机叶片附近的三维湍流流场进行了数值模拟,其中在7、15、25m/s 3种不同工况下分别采用S-A、Standard k-ε、RNG k-ε和SST k-ω4种湍流模型。计算结果表明:随着来流速度的逐渐增大,叶片吸力面的分离流沿叶根向叶尖方向逐渐发展,且由于三维旋转效应使得展向流动逐渐增强。和相关实验结果比较,选择不同的湍流模型对数值模拟结果有明显影响,其中RNG k-ε和SST k-ω两种模型可以获得较好的压力分布计算精度。综合考虑压力分布、功率系数和推力系数在不同工况下与实验结果的比较,选择SST k-ω湍流模型较适合模拟该水平轴风力机周围复杂的三维湍流流动。     

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。     

水平轴风力机尾流特性的数值研究

对600kW单风轮和7倍风轮直径(7D)间距的两风轮水平轴风力机在不同来流风速条件进行三维流场数值模拟.结果显示:风力机下游流场存在三维速度流动,轴向速度在尾迹区存在明显亏损,且随尾迹向下游的发展,轴向速度亏损逐渐减少.不同来流风速条件下风轮尾迹流的发展有一定区别,在来流风速较低的条件下尾流风速恢复较快.风场在布置风力机时应考虑当地的风速条件,若多数情况在额定风速或超过额定风速工况下运行,则前后风轮间距应大于7倍风轮直径;否则可考虑缩短前后风轮间距.     

MICRO-SITING TECHNIQUE FOR WIND TURBINES UNDER COMPLEX TERRAIN

结合某油田井组周围实际复杂地形状况,在充分考虑周围地形的影响后建立简化三维分析模型.采用基于计算流体力学(CFD)的数值模拟方法,实现过山气流在低空复杂地形中的三维湍流模拟.在分别研究所建模型在不同来流风向时的风场分布及山丘表面的风速分布图后,最终确定了该井组内安装风力机的最佳位置及风力机塔架的高度.     

风电场山坡地形的数值模拟研究

以典型复杂地形山坡的三维模型为研究对象,采用CFD数值模拟方法并选用SST湍流模型研究均匀来流条件下,坡度为15°、30°和45°时山坡周围流体绕流特点。对比分析不同时刻坡度不同时山坡附近不同位置处的速度分布,讨论不同坡度的山坡坡顶边缘、平台和山坡后涡运动情况和湍动能变化。研究结果表明,15°和30°的山坡坡顶风速品质较好,可考虑安装风力机;为了避免山坡后流体的强湍流流动,导致的风力机和塔架的振动,应将风力机安装在距山坡10H(H为山坡高度)后;山坡一侧可获得较好的风能,若在此处安装风力机可适当降低风力机的高度。