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不同时变入流下自主控制风力机运行特性研究

动力工程学报 2023年第4期43卷 443-451页

作者：刘凇仰信志强廖生海黄国庆蔡智名河海大学力学与材料学院南京211100 重庆大学土木工程学院重庆400044

为了研究风力机的自主控制系统在不同入流条件下的作用效果,基于NREL-5 MW风力机模型,运用致动线方法和大涡模拟对风力机的气动性能进行了分析。针对时变正弦入流与平均风速不变的真实大气边界层入流,在高、中、低3种平均风速下,分别开... 详细信息

为了研究风力机的自主控制系统在不同入流条件下的作用效果,基于NREL-5 MW风力机模型,运用致动线方法和大涡模拟对风力机的气动性能进行了分析。针对时变正弦入流与平均风速不变的真实大气边界层入流,在高、中、低3种平均风速下,分别开展了不同入流参数下有无控制条件时风力机的运行特性模拟。结果表明:在时变正弦入流下,控制系统使风力机在不同的入流风速下适应性调整良好;在真实大气边界层入流下,控制系统对湍流脉动引起的风速波动响应具有延迟性,在高低风速入流下的控制效果呈现不同特性。

关键词：正弦入流大气边界层入流致动线方法大涡模拟运行特性

对转方向和相位差对并列式双垂直轴风电机组气动性能的影响

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可再生能源 2022年第2期40卷 184-189页

作者：任桐鑫李寿图徐文浩郑小波毋晓妮李晔上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 上海交通大学水动力学教育部重点实验室上海200240

对转方向和相位差对并列式双垂直轴风电机组的气动性能至关重要,决定了风电机组叶片受力特性和功率输出特性。为研究对转方向和相位差对并列式双垂直轴风电机组气动性能的影响,文章采用致动线方法(ALM)对一组并列式双垂直轴风电机组进... 详细信息

对转方向和相位差对并列式双垂直轴风电机组的气动性能至关重要,决定了风电机组叶片受力特性和功率输出特性。为研究对转方向和相位差对并列式双垂直轴风电机组气动性能的影响,文章采用致动线方法(ALM)对一组并列式双垂直轴风电机组进行了三维数值模拟。首先,通过风洞试验数据验证了ALM预测出的垂直轴风电机组功率输出的准确性。继而使用验证后的数值方法对该并列式双垂直轴风电机组的气动性能进行了分析。结果表明:对转方向和相位差对并列式双垂直轴风电机组的气动性能有显著影响,如不考虑相位差,并列式双垂直轴风电机组的同向旋转布置和反向逆流旋转布置会对系统的气动性能产生负面影响,而反向顺流旋转布置会产生正面影响;考虑相位差的影响时,反向逆流旋转布置仍然被证明具有负面影响,反向顺流旋转布置对气动性能的有益效果也将得到增强,但修改相位差可以减少甚至抵消由同向旋转布置引起的功率损耗。对于所采用的两叶片双垂直轴风电机组,80°的相位差和反向顺流旋转布置是最佳配置参数,与二倍单机功率相比,该布置可以使并列式双垂直轴风电机组增加约6%的功率输出。

关键词：垂直轴风电机组致动线方法对转方向相位差

基于大涡模拟方法的风力机气动性能和尾流干扰研究

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中国科学：物理学、力学、天文学 2016年第12期46卷 23-30页

作者：钱耀如王同光张震宇南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室南京210016

利用致动线(Actuator Line Method,ALM)和大涡模拟(Large-Eddy Simulation,LES)结合的方法,采用4种亚格子模型,对低湍流度均匀来流中不同转速下两台串列风力机的气动性能和尾流干扰开展数值模拟研究,并探讨了亚格子模型对尾流场模拟的影... 详细信息

利用致动线(Actuator Line Method,ALM)和大涡模拟(Large-Eddy Simulation,LES)结合的方法,采用4种亚格子模型,对低湍流度均匀来流中不同转速下两台串列风力机的气动性能和尾流干扰开展数值模拟研究,并探讨了亚格子模型对尾流场模拟的影响.两台风力机功率系数和推力系数,以及尾流场的轴向平均速度和雷诺应力分布的计算结果与实验值基本吻合,验证了ALM-LES方法对风力机尾流研究的可靠性.受上游风力机尾流的影响,下游风力机功率系数和推力系数大幅降低,最大功率系数仅为上游风力机最大功率系数的25%左右.与来流风况的低湍流度相比,风力机尾流场中湍流强度大幅提高.通过不同亚格子模型计算结果的对比分析,得出亚格子模型的选择对风力机气动性能和尾流场湍流特征参数的计算影响较小.

关键词：大涡模拟亚格子模型风力机尾流致动线方法

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大气剪切流中风机气动特性数值研究

大气剪切流中风机气动特性数值研究

作者：曾旺上海交通大学

学位级别：硕士

随着世界能源危急的加剧,风力发电技术得到了持续快速发展。大气边界层(Atmosphere Boundary Layer,简称ABL)风场具有剪切流和湍流两个基本特征,这会显著影响风机的机械载荷和输出功率,机械载荷对风机的使用寿命和安全性至关重要,输出... 详细信息

随着世界能源危急的加剧,风力发电技术得到了持续快速发展。大气边界层(Atmosphere Boundary Layer,简称ABL)风场具有剪切流和湍流两个基本特征,这会显著影响风机的机械载荷和输出功率,机械载荷对风机的使用寿命和安全性至关重要,输出功率直接影响风机的经济性。随着风机的大型化,风速的垂向梯度更加显著,准确预报湍流大气边界层中的风机气动特性成为亟待解决的问题。在大气边界层的数值模拟中,虽然雷诺平均方法(RANS)得到了广泛的运用,但是由地表粗糙度、科氏力、大气热效应等引起的湍流、剪切流等复杂物理变化依然很难准确捕捉。基于RANS方法及模型尺度风机的研究,与实际大气湍流中实尺度风机的气动特性依然存在较大差异。由于计算机水平的限制,实尺度下的风机气动特性研究变得更加困难。本文针对大气剪切流中大型水平轴风机的气动特性进行系统性研究。采用大涡模拟方法(LES)来捕捉大气边界层中复杂的湍流与剪切流。为了减小计算消耗,采用致动线方法(ALM)计算风机的扰动影响,这将大大减小风机叶片附近所需的网格量,并选取合适的高斯宽度来保证计算精度。为了验证计算方法和数值模型的可靠性,对中性大气边界层进行空场数值模拟,对算例进行收敛性、稳定性、网格独立性、时间步独立性分析。在数值验证之后,模拟了由不同表面覆盖物引起的一系列湍流剪切流,并系统分析了不同高度处的时均速度分布、湍流强度和无量纲风剪切等,研究大气边界层中的湍流剪切特性。最后,将实尺度的5MW水平轴风机的ALM数值模型添加到上述大气剪切流中,研究了不同湍流状态下风机的载荷特性、功率特性,并分析了风机的尾流速度场和涡量场。结果表明,在大气剪切流特性方面,地表粗糙高度较大时,水平平均速度剖线的斜率较小,并显著增强了风剪切和湍流强度。湍流强度大体上随高度的增大而减小,在转子高度附近达到最大,进一步证实了湍流对风机的影响不可忽略。在风机性能方面,风机的载荷和功率随入流风速的增大而增大,风速对风机的发电功率起决定性作用。在风速U动和功率波动的影响很小,在U>5m/s时,湍流和剪切会显著减小风机的载荷和功率,同时粗糙度的增大会导致载荷波动和功率波动的增强。由此可见湍流和风剪切对风机性能基本没有好处,应尽量降低风场的湍流剪切水平。通过变尖速比(TSR)计算可知,湍流和剪切没有使实际TSR显著偏移最佳TSR,载荷和功率的降低不是由TSR的改变导致的。在冰面环境(粗糙度约为0.0001m)中,风速对载荷波动和功率波动的影响很小,粗糙度较大时,风速增大将导致载荷波动和功率波动的增强。由此可见风速较高的海面或平坦地面是风机高效稳定运转的最佳场所。从尾流分析来看,风速和粗糙度均会增强尾流的湍动水平和紊乱程度,尾流的演化长度主要受风速影响,与粗糙度无关,风速较大时尾流的演化长度较大。

关键词：大涡模拟致动线方法湍流剪切流风机

基于致动线方法的潮流能水轮机水动力特性研究

同方学位论文库评论

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基于致动线方法的潮流能水轮机水动力特性研究

第十届全国流体力学学术会议

作者：张玉全郑源张继生臧伟刘惠文河海大学能源与电气学院河海大学港口海岸与近海工程学院河海大学水利水电学院

相比于三维CFD叶片真实模拟,致动线方法将水轮机简化为流场中沿径向分布有作用力的线,所需网格大大降低,节省了计算资源和计算时间。本文介绍一种精度高、计算成本低的潮流能水轮机CFD致动线数值模型,将叶素动量理论与CFD方法相结合,通... 详细信息

相比于三维CFD叶片真实模拟,致动线方法将水轮机简化为流场中沿径向分布有作用力的线,所需网格大大降低,节省了计算资源和计算时间。本文介绍一种精度高、计算成本低的潮流能水轮机CFD致动线数值模型,将叶素动量理论与CFD方法相结合,通过致动线来模拟水轮机对流场的作用,求解Navier-Stokes方程获得流场水动力特征。对比基于致动线方法的数值模拟结果与真实水轮机的水槽实验数据,研究结果表明致动线数值模拟可以准确捕捉远尾流的流场特征,同时在近尾流处预测精度较高,与实验测量值误差在5%以内。研究结果可为潮流能大规模利用的数值模拟提供依据和参考。

关键词：潮流能水轮机尾流场致动线方法模型实验数值模拟

来源： cnki会议评论

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风力机尾流流场的数值模拟

风力机尾流流场的数值模拟

作者：朱翀南京航空航天大学

学位级别：硕士

风力机尾流效应正严重制约着风场整体的发电效率，深入研究风力机尾流发展规律是非常具有意义的课题。通常使用计算流体力学(CFD)方法对风力机尾流流场进行数值模拟，但是由于其所需计算资源多，很难模拟风场中风力机群的情况。因此本... 详细信息

风力机尾流效应正严重制约着风场整体的发电效率，深入研究风力机尾流发展规律是非常具有意义的课题。通常使用计算流体力学(CFD)方法对风力机尾流流场进行数值模拟，但是由于其所需计算资源多，很难模拟风场中风力机群的情况。因此本文使用广义致动盘方法和致动线方法对风力机尾流进行研究。广义致动盘方法将致动盘理论与常规CFD方法相结合，使用致动盘模型代替风轮，避免模拟叶片附面层，再使用CFD方法模拟尾流流场。本文主要研究了广义致动盘方法的两种实现方式：(1)压力降方法，即通过使流经风轮平面的气流压力降低来体现风轮从空气中提取能量的过程，其所获得的远尾流流场速度分布与实验数据吻合。(2)借鉴动量叶素理论(BEM)的叶片气动模型，根据来流与翼型性能数据等计算叶片气动力，作为体积力动量源项加载到流场中代替真实叶片的作用。使用Phase VI模型，验证了该方法获得的气动力的准确性;在风力机NH1500上，实现该方法在模拟多台风力机之间尾流干扰上的应用，分析了两台串列风力机之间间距不同时，上游风力机所产生的尾流对下游风力机不同的影响。致动线方法是在结合BEM理论的广义致动盘方法基础上，舍弃致动盘均布假设，将气动力以动量源项的方式直接加载到叶片所在位置的线上。不同于广义致动盘方法对于近尾流流场的均匀化处理，致动线方法能够模拟出近尾流区域叶片附近的气流诱导作用，能够模拟出明显的叶尖涡结构，与常规CFD方法对近尾流流场的模拟结果进行了详细比较，验证了该方法的可靠性。

关键词：风力机尾流数值模拟广义致动盘方法致动线方法压力降方法叶尖涡