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下击暴流对风力机尾流及转矩特性的影响研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第6期49卷 68-73页

作者：李德顺尉正斌郭涛赵小荷兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 甘肃省风力机工程技术研究中心甘肃兰州730050 甘肃省流体机械及系统重点实验室甘肃兰州730050

以美国国家可再生能源实验室(NREL) 5 MW机组为研究对象,采用大涡模拟结合致动线模型(LES-ALM)方法,分析下击暴流垂直风剪切条件下风力机尾流的速度特性、湍流特性及转矩特性.结果表明:相比于均匀来流和B类风场风剪切,下击暴流垂直风剪... 详细信息

以美国国家可再生能源实验室(NREL) 5 MW机组为研究对象,采用大涡模拟结合致动线模型(LES-ALM)方法,分析下击暴流垂直风剪切条件下风力机尾流的速度特性、湍流特性及转矩特性.结果表明:相比于均匀来流和B类风场风剪切,下击暴流垂直风剪切条件下,风力机尾流轴向速度亏损最大,且尾流轴向恢复最慢,尾流非对称特性更明显;随着尾流向下游发展,三种来流工况下风力机尾流湍流强度的变化均为先增大后减小,且湍流强度最大值(在11D附近,D为风轮直径)均在10%-12%之间;在尾流湍流强度衰减过程中,下击暴流垂直风剪切条件下,风力机尾流湍流强度衰减更快;另外,与均匀来流和B类风场风剪切相比,下击暴流垂直风剪切条件下风力机低速轴转矩均值降低,但其标准差却明显增加,说明低速轴转矩波动幅度增加,进而引起风力机输出功率的波动增大,输出电能质量降低.

关键词：大涡模拟致动线模型下击暴流风力机尾流转矩

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风切变对风力机尾流湍流特征影响的研究

机械工程学报 2016年第16期52卷 149-155页

作者：侯亚丽汪建文王强王鑫厅内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010051 内蒙古工业大学风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室呼和浩特010051

采用LES方法,对自行开发设计的100 W小型水平轴风力机在有、无风切变两种入流情况下的尾流特征进行了模拟计算,计算中提取了流场稳定后的x、y、z三个方向的瞬间速度、压力等参数的600个数据样本,计算得到了尾流内轴向速度和湍流强度的... 详细信息

采用LES方法,对自行开发设计的100 W小型水平轴风力机在有、无风切变两种入流情况下的尾流特征进行了模拟计算,计算中提取了流场稳定后的x、y、z三个方向的瞬间速度、压力等参数的600个数据样本,计算得到了尾流内轴向速度和湍流强度的方均根值,分析了有、无风切变两种入流情况下风力机尾流内的时间平均轴向速度、湍流强度及涡结构等流动特征。结果表明:无风切变入流情况下,尾流内的叶尖涡、中心涡及轴向速度都呈现对称性;而风切变入流情况下,尾流内叶尖涡螺旋轨迹上面部分的螺距明显大于下面部分的螺距,呈现出了非对称性,而中心涡和轴向速度也都呈现出一定的非对称性,且风切变入流情况下尾流内的涡传播距离更远;在y/d尾流区域内,无论入流是否存在风切变,风力机尾流膨胀现象都不很明显;在相同入流湍流强度条件下,有、无风切变入流情况下尾流内湍流强度的变化规律相似,入流风切变对尾流内湍流强度的影响较小。

关键词：风切变风力机尾流涡结构时间平均轴向速度湍流强度

基于改进k-ω SST模型的风力机尾流数值模拟

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太阳能学报 2017年第4期38卷 920-927页

作者：杨祥生赵宁田琳琳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

基于双方程k-ω SST模型提出两种改进湍流模型,采用丹麦科技大学的自编求解器EllipSys3D结合致动盘方法,对单台风力机尾流流场进行数值模拟。该文将SST-sust模型引入到风力机尾流的数值研究中,为了更进一步增大预测到的湍流强度和提高... 详细信息

基于双方程k-ω SST模型提出两种改进湍流模型,采用丹麦科技大学的自编求解器EllipSys3D结合致动盘方法,对单台风力机尾流流场进行数值模拟。该文将SST-sust模型引入到风力机尾流的数值研究中,为了更进一步增大预测到的湍流强度和提高尾流恢复速度,提出SST-Csust模型和SST-Dsust模型,它们是在SST-sust模型的基础上分别调整湍流模型的封闭常系数、修正ω方程的耗散项。通过与理论、实验以及LES模型进行对比分析,结果表明该文提出的改进模型在尾流区速度分布和湍流强度分布的预测方面可取得较好的应用效果。

关键词： k-ω SST湍流模型风力机尾流 EllipSys3D求解器致动盘(AD)模型

基于二维代理模型的风力机尾流计算和风电场布局优化

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太阳能学报 2024年第2期45卷 65-76页

作者：龙海芳李正农潘月月湖南大学土木工程学院长沙410082 潍坊学院建筑工程学院潍坊261061

针对现有风力机尾流采用计算流体力学方法(CFD)进行数值模拟遇到的网格数量多、计算资源需求大的问题,提出采用二维代理模型的风力机尾流数值模拟方法,并将此代理模型运用于风电场的布局优化中。首先对单台风力机的尾流进行数值模拟研究... 详细信息

针对现有风力机尾流采用计算流体力学方法(CFD)进行数值模拟遇到的网格数量多、计算资源需求大的问题,提出采用二维代理模型的风力机尾流数值模拟方法,并将此代理模型运用于风电场的布局优化中。首先对单台风力机的尾流进行数值模拟研究,并根据现场实测数据对模拟结果进行检验;其次将代理模型运用于多台风力机的风电场模拟中,分析风力机在不同来流风向角下尾流效应情况。最后结合风速风向玫瑰图计算多台等距矩形布置的风电场的年发电量,分析风电场与N(北)方向的夹角与风电场年发电量的关系。仿真表明:现场实测数据和模拟数据相关程度高且误差较小,验证了二维代理模型的可行性和计算结果的准确性。风电场与N(北)方向的夹角在0°~40°范围内时,夹角大于0°时的风电场年发电量均大于夹角等于0°时的年发电量;风电场布局优化时选择合适的风电场与N(北)方向的夹角有利于提高风电场的年发电量,提高经济效益。

关键词：计算流体力学风电场数值模拟风力机尾流二维代理模型

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上游山脉对风力机尾流和功率影响的模拟研究

空气动力学学报 2024年第5期42卷 97-109页

作者：张子瑜黄鹏曹曙阳同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室上海200092 西安大略大学土木与环境工程系伦敦N6A 5B9加拿大

更好地了解山地上风力机尾流和功率特性有助于山地风电场的布局设计。本研究采用高精度的大涡模拟(large-eddy simulation, LES)研究了上游山脉对下游山脉顶部风力机的尾流和功率性能的影响。在基于伪谱法的LES框架中,本文分别使用了滤... 详细信息

更好地了解山地上风力机尾流和功率特性有助于山地风电场的布局设计。本研究采用高精度的大涡模拟(large-eddy simulation, LES)研究了上游山脉对下游山脉顶部风力机的尾流和功率性能的影响。在基于伪谱法的LES框架中,本文分别使用了滤波致动盘模型和浸入边界法模拟风力机和山脉对气流的作用。研究表明,LES结果与实验测量的速度和湍动能吻合很好,对湍动能的预测优于雷诺平均Navier-Stokes(Reynolds average Navier-Stokes, RANS)方法。在山脉风力机尾流的模拟中,研究发现风力机尾迹中心轨迹在山顶下风处向下偏转。与孤立山地相比,双峰型山地的尾流恢复速度更快,其恢复速率随着山脉间距的增加先增加后减少。对于有山脉情况,尽管由于气流的加速效应,高斯分布与尾流速度亏损分布在尾流下边缘存在差异,但高斯曲线仍然适用于近似风力机尾流的速度亏损。此外,因为上游山脉尾迹会扩散且到达下游山脉迎风面时会被抬升,所以当山脉间距达到一定距离时,风轮会完全浸没在上游山脉尾迹中,导致风力机功率性能受到上游山脉的不利影响,随着山脉间距的增加先下降后上升。本研究加深了对山地风力机尾流特性和功率性能的认识,对山区风电场的布局设计具有指导意义。

关键词：风能大涡模拟大气边界层山脉风力机尾流功率性能

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动态风向对风力机尾流演化规律的影响

排灌机械工程学报 2023年第12期41卷 1255-1260页

作者：郭涛李晔李德顺韩伟李仁年兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 甘肃省风力机工程技术研究中心甘肃兰州730050 甘肃省流体机械及系统重点实验室甘肃兰州730050

为了研究动态风向对水平轴风力机尾流演化规律的影响,文中基于OpenFOAM软件平台,采用大涡模拟(LES)耦合致动线模型(ALM)的方法,分析动态风向幅值变化对尾流速度特性、湍流特性以及蜿蜒特性的影响.研究结果表明:随着动态角度幅值的变化,... 详细信息

为了研究动态风向对水平轴风力机尾流演化规律的影响,文中基于OpenFOAM软件平台,采用大涡模拟(LES)耦合致动线模型(ALM)的方法,分析动态风向幅值变化对尾流速度特性、湍流特性以及蜿蜒特性的影响.研究结果表明:随着动态角度幅值的变化,尾流速度上的差异主要体现在4D(D为风轮直径)以后,且随着角度幅值的增加,尾流平均速度的恢复越来越快;动态风向条件下,叶尖涡出现振荡现象,且随着动态风向角幅值的增加,振荡幅度越来越大;风向角的动态变化加剧了尾流的蜿蜒,随着角度幅值的增加,尾流中心最大偏移量增加,增长符合二次幂函数规律,且远尾流的增长率远大于近尾流;当动态角度变化幅值达到15°时,10D处的尾流中心偏移量达到了48.62%;动态风向角变化幅值的增加会改变尾流边界,导致尾流影响范围扩大.

关键词：风力机尾流蜿蜒特性大涡模拟致动线模型动态偏航

基于OpenFOAM的层结性对风力机尾流大气参数的影响

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可再生能源 2022年第7期40卷 926-931页

作者：吴正人张智博刘梅杜思源张雷华北电力大学动力工程系河北保定071003 华北电力大学经济管理系河北保定071003

层结性是影响大气参数变化的重要因素,不同的层结状态会对风力机尾流大气参数产生不同的影响。文章基于开源CPD平台OpenFoam,并结合大涡模拟和大气边界层理论,开发编译了特定求解器下的风力机模型,实现不同层结状态下风力机尾流对大气... 详细信息

层结性是影响大气参数变化的重要因素,不同的层结状态会对风力机尾流大气参数产生不同的影响。文章基于开源CPD平台OpenFoam,并结合大涡模拟和大气边界层理论,开发编译了特定求解器下的风力机模型,实现不同层结状态下风力机尾流对大气参数影响的研究。研究结果表明:稳定层结下风力机尾流的影响范围远,不稳定层结的风速损失较小,两种层结状态下风速分布规律相似;在轮毂高度处,不稳定层结下温度下降,稳定层结则上升;与来流大气温度相比,不稳定层结的远尾流区温度变化明显。在风轮高度以下及3d(风轮直径)以上区域,风力机后各处的温度分布不受尾流发展的影响;在风轮高度以下区域,不稳定层结下的尾流温度比来流大气温度低,而稳定层结则相反。

关键词：风力机尾流大气边界层大气层结大涡模拟

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湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响

兰州理工大学学报 2021年第1期47卷 47-53页

作者：李德顺苏进诚李银然郭涛兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学甘肃省风力机工程技术研究中心甘肃兰州730050 兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室甘肃兰州730050

基于一台33 kW的水平轴风力机,利用大涡模拟耦合致动线的方法,模拟均匀来流以及不同湍流度来流条件下的风力机尾流流场,研究湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响.结果表明:湍流来流时风力机尾流与周围流场的能量交换比均匀来流时... 详细信息

基于一台33 kW的水平轴风力机,利用大涡模拟耦合致动线的方法,模拟均匀来流以及不同湍流度来流条件下的风力机尾流流场,研究湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响.结果表明:湍流来流时风力机尾流与周围流场的能量交换比均匀来流时更强,湍流掺混速度更快,从而使得尾流区速度恢复加快,且湍流度越大,速度恢复越快;相较于均匀来流,湍流来流时风力机尾流速度的最大亏损率减小,但湍流度大小对尾流速度最大亏损率影响较小;尾流半径增长速率在风轮平面至风轮后两倍直径范围内逐渐减小,在两倍直径之后基本不变;湍流会使尾流膨胀程度增强,且湍流度越大,膨胀程度越强;在11 m/s风速条件下,湍流度增大导致风轮转矩时均值减小,波动幅度增大,风轮转矩在高频与低频部分的能量升高,并且低频部分能量升高得更快.

关键词：风力机尾流湍流度尾流半径风轮转矩

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水平轴风力机尾流湍流结构的时空演化

兰州理工大学学报 2020年第3期46卷 64-69页

作者：李德顺胡进森于佳鑫郭涛焦选平李仁年兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学甘肃省风力机工程技术研究中心甘肃兰州730050 兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室甘肃兰州730050

基于小波变换的分析方法,结合致动线模型和大涡模拟研究了一台33 kW水平轴风力机尾流湍流结构的时空演化过程.研究发现,随着距风轮平面距离的增大,尾流中各测点的平均速度先减小后逐渐增大,速度波动的幅值呈减小趋势;风轮后7倍直径内,... 详细信息

基于小波变换的分析方法,结合致动线模型和大涡模拟研究了一台33 kW水平轴风力机尾流湍流结构的时空演化过程.研究发现,随着距风轮平面距离的增大,尾流中各测点的平均速度先减小后逐渐增大,速度波动的幅值呈减小趋势;风轮后7倍直径内,速度曲线具有明显的周期性,反映出脱落涡通过频率为1.80 Hz,其为风轮旋转频率的两倍.风轮后1倍直径测点处的叶尖涡所在的频率为0.78~25.00 Hz,形成的涡管通过该测点的时间约为0.32 s,涡管直径约为1.83 m;3倍直径测点处出现了0.15~0.78 Hz的低频率湍流结构;7倍直径测点处叶尖涡的频率为1.56~25.00 Hz,相比7倍直径测点之前的叶尖涡频率范围有大幅减小;8倍直径测点处,与近尾流区域相似的叶尖涡的涡管形状消失;9倍直径测点处叶尖涡基本完全耗散.

关键词：风力机尾流湍流结构小波变换