基于LBM-LES的单台小型风力机尾流时空特性研究
作者单位：浙江理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：魏义坤;王政道
授予年度：2023年
学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学]
摘 要：风能的开发和利用不受资源约束,对环境影响小,是优秀的可再生清洁能源。在运行中,来流的不同对风场中风力机的尾流特性有巨大影响,研究风力机在不同条件下的尾流特性对于新式风力机的研发和风场内合理利用风能资源具有重要的指导意义。本文以单台小型风力机为研究对象,基于格子玻尔兹曼(LBM)方法,采用大涡模拟(LES)对风力机尾迹特性进行数值计算,研究尖速比、风切变系数和湍流来流条件下风力机尾流时空特性。揭示上述复杂工况下风力机尾流的涡量、速度、压力及时空演化特性。主要研究内容如下:首先,基于LBM-LES对不同尖速比下的风力机进行数值计算,研究不同尖速比对风力机尾流涡量、压力和速度分布的影响。数值结果表明,在近场中,随着尖速比的增加,风力机尾迹的叶尖涡强度降低,叶尖涡的涡环间距减小。涡环破碎的距离逐渐减小,分离涡的破碎和耗散逐渐增强。同时,近场叶尖涡附近的监测点主频振幅具有较高的压力波动峰值。由于风力机近流场中尾流叶尖涡、叶根涡与塔柱后流动结构相互混合,使得尾流压力将逐渐增加。在远场中,随着尖速比的增加,叶尖涡与叶根涡混合得更快。随着尾流的发展,附着涡流消失。随着尖速比的增加,叶尖涡与叶根涡之间的相互作用逐渐增强,风力机尾流的湍流强度也逐渐地增加。在远场,由于大量的涡流耗散,压力波动迅速降低。其次,基于LBM-LES开展了不同风切变系数来流条件下风力机尾迹的数值计算,探明不同风切变系数下风力机尾流的发展特性。数值结果表明,在剪切风来流条件下来流的风速在垂直方向上分布不均匀;尾迹区内的旋转效应使风力机后的尾流加速混合,同时,也发现在尾迹内的轴向分布会出现不对称现象。相比于均匀来流,剪切风条件下的风力机尾流的湍流程度更高,叶尖分离涡、塔后涡等尾迹结构耗散更快。在近场,在主涡环上更容易产生二次涡;在二次涡作用下使得主涡环更易破碎,从而产生大量分离涡,而随着尾流发展,分离涡破碎耗散,尾流逐渐趋于平缓,在水平方向上,越靠近风力机转轴中心,速度波动越剧烈,越靠近两侧叶尖,速度波动越平缓,两侧速度最终稳定在某一略低于来流速度的值。低风切变系数下的尾流平均速度,在近场处尾流平均速度波动较大,在远场处尾流速度趋于同一速度值。而对于高风切变系数下的尾流平均速度,在近场处尾流平均速度波动较小,但在远场处叶尖涡、叶根涡及塔后涡流的速度仍有明显差距。最后,基于LBM-LES开展了湍流条件下风力机进行数值计算,探明湍流条件下的风力机尾流的涡量、压力和速度特性,及湍流条件下的尾流时空特性。数值结果表明,湍流条件下,风力机叶尖涡的涡环二次流迅速出现在主涡环上,并将主涡环强烈扭曲。涡环相互作用、混合并逐渐演变成湍流连贯的涡流结构。沿着流线方向,塔后的涡与主涡环混合、相互作用,逐渐演化成湍流拟序结构。湍流条件下,叶尖涡与叶根涡在近场就开始相互混合,形成中间连续的低速区域。而塔后涡流在一段距离的发展后,逐渐摆脱风塔的影响,速度有所上升。尾流经过一段时间的发展,在远流场塔后尾流速度开始逐渐降低。相干结构形成,中间部分的低速区逐渐变小,叶尖涡、叶根涡及塔后涡流逐渐混合在一起。在远场,各部分尾流相互影响、融合并向后发展出相干结构。速度在流场中时空相关性高,尾流越向后发展,时空相关性越大。与压力相比,时空相关在速度中下降得更快,且尾流在下游比上游具有更高的相关性。本文基于LBM-LES方法对风力机尾迹时空特性进行数值计算,探究了不同条件下的单台小型风力机的尾流变化特性,具有重要的理论意义和工程应用价值。同时也为优化小型风力机气动结构一体化及风力机布局提供一定的理论依据。
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