风力机叶片气动设计与尾迹机理研究
文献类型:学位论文
作者 | 董国丹 |
答辩日期 | 2023-11-23 |
文献子类 | 博士 |
授予单位 | 中国科学院大学 |
授予地点 | 北京 |
导师 | 杨晓雷 |
关键词 | 风力机叶片设计 致动面模型 致动盘模型 风力机尾迹 尾迹蜿蜒 |
学位专业 | 流体力学 |
其他题名 | Investigation of aerodynamic design of wind turbine blades and mechanism of wind turbine wakes |
英文摘要 | 鉴于风能的能量密度相对较低,通常需要将多台风力机布置成风电场,以充分利用环境中的风资源。而上游风力机的尾迹会导致下游风力机发电功率的下降和结构载荷的增加。近年来,随着风力机尺寸和轮毂高度的不断增加,风力机尾迹与大气边界层(Atmospheric Boundary Layer, ABL) 中复杂流动的相互作用变得更加显著。此外,风力机远尾迹整体的低频大尺度振荡,即尾迹蜿蜒,会进一步增加下游风力机的结构载荷,且尾迹蜿蜒也会与ABL 中的复杂流动相互作用,导致更复杂的尾迹现象。目前关于尾迹蜿蜒的机制有两种主流观点:一种观点认为来流中的大涡是远尾迹蜿蜒的主要因素,另一种观点认为叶片带来的剪切层失稳也可诱导尾迹蜿蜒。由于具有不同载荷分布的叶片设计会产生不同的剪切层效应,因此,对于不同设计风力机尾迹机理的研究具有重要意义。结合了叶片参数化模型的大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES) 方法是目前实尺寸风力机尾迹机理数值研究中最常用的方法。常用的叶片参数化模型包括致动盘(Actuator Disk, AD)、致动线(Actuator Line, AL) 和致动面(Actuator Surface, AS) 模型。其中,AD 模型计算快,常用于风电场模拟;而AL 和AS 模型计算慢,但对尾迹的预测更好,常用于尾迹机理研究。 然而,目前的叶片气动设计多以提高其自身性能为目标,并未考虑叶片设计对于尾迹的影响。因此,本文结合了叶素动量理论(Blade Element Momentum, BEM) 和多维牛顿迭代法,发展了基于给定载荷分布的风力机叶片逆向设计方法;并采用LES+AS 的方法,研究了不同叶片设计对尾迹的影响机理;随后,系统评估了AD 模型对不同叶片设计尾迹的预测能力,为风电场的模拟提供理论支撑;最后,采用LES+AD 的方法,研究了风电场尾迹。 本文的主要创新性工作包括以下四个部分: (一) 发展了给定载荷分布的风力机叶片逆向设计方法 (二) 研究了叶片设计对风力机尾迹的影响机理 复最快;虽然在近尾迹处NREL-Root 设计的速度亏损最大,但在远尾迹处(12 ),其速度亏损最小,表明其远尾迹恢复最快。随后的平均动能(Mean Kinetic Energy, MKE) 预算方程分析表明,NREL-Tip/NREL-Root 设计近/远尾迹恢复快的主要原因是其近/远尾迹处的湍动能输运(Turbulent Convection, TC) 项更大。接着,对于瞬时尾迹中心位置的统计学分析显示,NREL-Root 设计尾迹的展向扩展最大,且尾迹蜿蜒幅度最大,这表明NREL-Root 设计的尾迹蜿蜒更剧烈。最后,我们将不同设计尾迹蜿蜒的频率进行分解和重构并结合预乘谱的结果,揭示了在叶根处具有更高载荷的NREL-Root 设计的剪切层不稳定性更强,进而诱导其尾迹蜿蜒出现的更早且更剧烈。 (三) 评估了致动盘模型对不同叶片设计尾迹的预测能力 (四) 研究了风电场尾迹的发展和恢复 |
语种 | 中文 |
源URL | [http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/93710] |
专题 | 中国科学院力学研究所 力学研究所_非线性力学国家重点实验室 |
推荐引用方式 GB/T 7714 | 董国丹. 风力机叶片气动设计与尾迹机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式: OAI收割
来源:力学研究所
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