為了研究甘肅地區(qū)大氣邊界層與風(fēng)力機(jī)的相互作用, 對(duì)一臺(tái)風(fēng)輪直徑為14.8 m, 輪轂高度為15.4 m的33 kW水平軸風(fēng)力機(jī)開(kāi)展了外場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬。圖1展示的是外場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái), 其中包括風(fēng)力機(jī), 測(cè)風(fēng)塔和尾流測(cè)量平臺(tái)。
圖1??現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng), 尾流速度測(cè)量平臺(tái), 風(fēng)力機(jī), 測(cè)風(fēng)塔
研究相關(guān)的論文題為: “Interaction between the atmospheric boundary layer and a stand-alone wind turbine in Gansu”, 為近期出版的2018年第9期Science China Physics， Mechanics & Astronomy的封面文章, 該研究由上海交通大學(xué)李曄教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院力學(xué)研究所胡文瑞院士團(tuán)隊(duì), 以及蘭州理工大學(xué)李仁年教授團(tuán)隊(duì)完成。論文共分為兩個(gè)部分, 其中試驗(yàn)測(cè)量及分析部分由李德順副教授擔(dān)任第一作者撰寫(xiě), 數(shù)值模擬及分析部分由鄭直副教授擔(dān)任第一作者撰寫(xiě)。研究者通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)合分析, 得到了大氣邊界層中風(fēng)力機(jī)的尾流和載荷特性, 揭示了大氣邊界層對(duì)風(fēng)輪尾流的演化和氣動(dòng)載荷響應(yīng)有很大影響。
針對(duì)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能, 之前的多數(shù)研究者主要利用風(fēng)洞試驗(yàn)和穩(wěn)定來(lái)流展開(kāi)研究, 但隨著現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)尺寸越來(lái)越大, 風(fēng)力機(jī)與大氣邊界層的相互作用越來(lái)越明顯, 尤其是針對(duì)復(fù)雜的真實(shí)大氣環(huán)境, 風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性將變得復(fù)雜多變, 它將對(duì)風(fēng)力機(jī)的載荷和下游風(fēng)力機(jī)的功率輸出造成嚴(yán)重的影響。
圖2??風(fēng)速和葉尖渦的分布
該課題組利用蘭州理工大學(xué)風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)外場(chǎng), 對(duì)甘肅地區(qū)大氣湍流來(lái)流條件下, 偏航狀態(tài)時(shí)風(fēng)力機(jī)的尾流特性和氣動(dòng)載荷響應(yīng)進(jìn)行研究, 著重分析了大氣邊界層與獨(dú)立風(fēng)力機(jī)的交互作用, 這對(duì)于研究風(fēng)力機(jī)在大氣邊界層中的氣動(dòng)性能具有重要意義。該項(xiàng)研究在試驗(yàn)測(cè)量部分采用超聲波風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流進(jìn)行測(cè)量, 分析了測(cè)點(diǎn)處的速度虧損特性,湍動(dòng)能變化規(guī)律, 湍流結(jié)構(gòu)以及在側(cè)向力作用下尾流的非對(duì)稱現(xiàn)象。數(shù)值模擬部分利用大渦模擬與致動(dòng)線模型耦合的方法對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算, 進(jìn)而能夠更加清晰、直觀地反映尾流中渦的變化規(guī)律, 如圖2所示。此外也能反映出風(fēng)輪結(jié)構(gòu)在大氣邊界層中的響應(yīng), 通過(guò)大氣湍流和風(fēng)力機(jī)載荷響應(yīng)的聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn), 當(dāng)來(lái)流風(fēng)速方向發(fā)生快速改變時(shí), 大氣湍流中湍動(dòng)能和相干湍動(dòng)能增加, 造成風(fēng)輪載荷曲線中出現(xiàn)脈動(dòng)。此外, 各向異性的大氣湍流會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生不對(duì)稱的載荷循環(huán), 進(jìn)而對(duì)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸造成沖擊并增加其上的疲勞載荷。
這一研究對(duì)于現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化, 以及對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的微觀選址、載荷預(yù)測(cè)、功率預(yù)測(cè)以及控制策略都有著重要的意義。
Li D S, Guo T, Li Y R, et al. Interaction between the atmospheric boundary layer and a stand-alone wind turbine in Gansu—Part I: Field measurement. Science China Physics Mechanics & Astronomy, 2018, 61(9): 094711.
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-018-9219-y
https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-018-9219-y
Zheng Z, Gao Z T, Li D S, et al. Interaction between the atmospheric boundary layer and a stand-alone wind turbine in Gansu—Part II: Numerical analysis. Science China Physics Mechanics & Astronomy, 2018, 61(9): 094712.
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-018-9214-1
https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-018-9214-1
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