發(fā)布時間：2020-09-22 16:43

　　 風(fēng)力機(jī)組的尾流效應(yīng)正嚴(yán)重影響著風(fēng)電場的整體發(fā)電效率,應(yīng)用CFD(計算流體力學(xué))方法深入研究風(fēng)力機(jī)尾流模型是現(xiàn)階段風(fēng)能工程中具有前瞻性的課題。本文通過RANS(雷諾平均)數(shù)值方法模擬了風(fēng)力機(jī)尾流的速度場和湍流場信息。在尾流建模方面,本文開發(fā)了基于RANS方法的風(fēng)力機(jī)尾流模型。首先建立了RANS方法的整體控制方程組。接著,利用BEM(葉素動量氣動理論)和Fuzzy(模糊)分布方法,通過修正葉尖、輪轂損失效應(yīng)和攻角偏移現(xiàn)象,建立了BEM-Fuzzy風(fēng)力機(jī)修正模型,作為體積力源項(xiàng)加入整體方程組。最后,通過添加保持源項(xiàng)、改變參數(shù)及降低耗散項(xiàng)的方式,建立了SST k-ω湍流修正方程組,完成了風(fēng)力機(jī)尾流模型的總體建模工作。在模型方程求解方面,本文基于Fluent 6.0求解平臺的SIMPLE(壓力耦合半隱式)算法求解了風(fēng)力機(jī)尾流模型方程組。設(shè)計了變尺寸規(guī)則六面體網(wǎng)格,有效降低了網(wǎng)格數(shù)量,并使得計算結(jié)果更加平滑;利用自適應(yīng)松弛因子方法,有效減少了迭代收斂步驟;使用Fluent并行技術(shù),有效減少了收斂時間步長。在求解實(shí)驗(yàn)設(shè)計方面,本文考慮了均勻入流和風(fēng)切變?nèi)肓鲀煞N不同邊界條件,通過與丹麥風(fēng)電場和微尺寸風(fēng)力機(jī)的測量數(shù)據(jù)對比,得到了正確有效的速度場和湍流場的計算結(jié)果,驗(yàn)證了風(fēng)力機(jī)模型與湍流模型的修正項(xiàng)對近、遠(yuǎn)尾流區(qū)域內(nèi)速度場和湍流場的影響程度,并評估了尾流模型的計算速度。
【學(xué)位單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O35
【部分圖文】：

能源、環(huán)境、氣候面臨危機(jī)，可持續(xù)發(fā)展勢在必行，發(fā)展風(fēng)能具備獨(dú)特優(yōu)勢[1]。、天然氣、煤炭等不可再生能源已經(jīng)服務(wù)了人類 19、20 兩個世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)而，此類能源的不可再生性和人類對其的持續(xù)消耗性，使得不可再生能源的儲存漸枯竭，同時也造成了環(huán)境的惡性變化和嚴(yán)重污染。2010 年以后，環(huán)境、氣候惡化呈現(xiàn)出愈來愈劇烈的趨勢，中國 GDP 總量雖然已經(jīng)達(dá)到世界第二，但在高速發(fā)同時也帶來了巨大的能源消耗，各項(xiàng)環(huán)境、氣候指標(biāo)下滑明顯，成為了中國目前經(jīng)持續(xù)發(fā)展道路的一大障礙。新世紀(jì)以后，世界各國陸續(xù)發(fā)布了不可再生能源耗損損標(biāo)準(zhǔn)，丹麥宣布 2050 年以后將全面使用可再生能源。而中國作為發(fā)展中國家的物排放大國，則承諾到 2020 年，單位 GDP 能耗在 2005 年的基礎(chǔ)上降低 40%-50之而來的是可再生能源法相繼出臺，綠色 GDP 考核指標(biāo)提上發(fā)展日程。在可再生領(lǐng)域，相比太陽能、地?zé)崮艿绕渌�可再生能源，作為技術(shù)最成熟、最具有規(guī)模化開景和商業(yè)化發(fā)展前景的風(fēng)能成為許多國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)，于最近數(shù)十年間界范圍內(nèi)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用和可觀速度的發(fā)展。

所要研究的尾流問題。世界風(fēng)能協(xié)會長賀德馨指出了目前風(fēng)場流場研究現(xiàn)狀及取得的進(jìn)展，其中主要包括風(fēng)力機(jī)氣動彈性、風(fēng)力機(jī)尾流干擾、局部復(fù)雜地形影響及微觀選址、大氣邊界層風(fēng)特性、海上風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)、風(fēng)力機(jī)翼型族及水力作用等問題[6]。為得到更高發(fā)電量，除了需要使風(fēng)電機(jī)組不斷大型化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單臺容量不斷提升之外，還需擴(kuò)大更大規(guī)模的風(fēng)電場風(fēng)力機(jī)數(shù)量布置，但限于土地因素和地形條件，陸地風(fēng)電場規(guī)模受到很大限制。在有限的土地面積內(nèi)可以通過增加風(fēng)力機(jī)數(shù)量來獲得更多發(fā)電量，但有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)電場的尾流效應(yīng)作用下，風(fēng)力機(jī)數(shù)增加未必與發(fā)電量X椉誘�闭J(rèn)喙�，氮N緦�机达祪e騁皇�量后，肪對机的X椉佑敕緄緋》⒌縲�率呈负闭J(rèn)喙豙7]。由于風(fēng)力機(jī)利用風(fēng)速度產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因而空氣通過風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子時產(chǎn)生動能損失，那么會在下游形成風(fēng)速下降、湍流強(qiáng)度增大的區(qū)域，該區(qū)域被稱為尾流區(qū)。風(fēng)力機(jī)相互之間的距離愈近，尾流效應(yīng)就愈加明顯，即上游風(fēng)力機(jī)對下游風(fēng)機(jī)影響愈加顯著，這樣的現(xiàn)象效應(yīng)就被稱為尾流效應(yīng)。圖 1.2 所示為 2008 年飛行員在丹麥Horns Frev 近海風(fēng)電場所拍攝的風(fēng)力機(jī)圖片，在圖中可以清楚看到后排風(fēng)力機(jī)位于前排的風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)內(nèi)[8]。

a ECN 風(fēng)場 b Nibe 風(fēng)場圖 2.1 實(shí)際風(fēng)場下的風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)Fig. 2.1 Wind turbine experiments in actual wind field該風(fēng)電場內(nèi)共安裝了四臺測風(fēng)設(shè)備（MM），風(fēng)電場內(nèi)所以裝置的設(shè)置布局如圖 b所示。其中紅色圓圈代表風(fēng)力機(jī)，藍(lán)色三角塊則代表測風(fēng)設(shè)備，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪直徑為40m。除控制方法不同外，NibeA 和 NibeB 兩組風(fēng)力機(jī)狀況基本相同，其中 NibeB 風(fēng)力機(jī)數(shù)據(jù)將用于后節(jié)中的風(fēng)力機(jī)尾流數(shù)值模擬。2.1.2 尾流特性研究Wind shear effectFlow variationmaximumFlow variationminimumShear layerTurbulent mixing zoneIdeal assumption:Axial symmetryZero pressure gradientGaussian distribution

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本文編號：2824654