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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, 對一臺風(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)開展了外場試驗(yàn)和數(shù)值模擬。圖1展示的是外場試驗(yàn)平臺, 其中包括風(fēng)力機(jī), 測風(fēng)塔和尾流測量平臺。

圖1??現(xiàn)場試驗(yàn)系統(tǒng), 尾流速度測量平臺, 風(fēng)力機(jī), 測風(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。論文共分為兩個部分, 其中試驗(yàn)測量及分析部分由李德順副教授擔(dān)任第一作者撰寫, 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。研究者通過試驗(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風(fēng)輪尾流的演化和氣動載荷響應(yīng)有很大影響。

針對風(fēng)力機(jī)的氣動性能, 之前的多數(shù)研究者主要利用風(fēng)洞試驗(yàn)和穩(wěn)定來流展開研究, 但隨著現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)尺寸越來越大, 風(fēng)力機(jī)與大氣邊界層的相互作用越來越明顯, 尤其是針對復(fù)雜的真實(shí)大氣環(huán)境, 風(fēng)力機(jī)的氣動特性將變得復(fù)雜多變, 它將對風(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, 對甘肅地區(qū)大氣湍流來流條件下, 偏航狀態(tài)時風(fēng)力機(jī)的尾流特性和氣動載荷響應(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, 這對于研究風(fēng)力機(jī)在大氣邊界層中的氣動性能具有重要意義。該項(xiàng)研究在試驗(yàn)測量部分采用超聲波風(fēng)速儀對風(fēng)力機(jī)尾流進(jìn)行測量, 分析了測點(diǎn)處的速度虧損特性,湍動能變化規(guī)律, 湍流結(jié)構(gòu)以及在側(cè)向力作用下尾流的非對稱現(xiàn)象。數(shù)值模擬部分利用大渦模擬與致動線模型耦合的方法對試驗(yàn)狀態(tài)的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值計算, 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)來流風(fēng)速方向發(fā)生快速改變時, 大氣湍流中湍動能和相干湍動能增加, 造成風(fēng)輪載荷曲線中出現(xiàn)脈動。此外, 各向異性的大氣湍流會導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生不對稱的載荷循環(huán), 進(jìn)而對風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸造成沖擊并增加其上的疲勞載荷。

這一研究對于現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)的設(shè)計、優(yōu)化, 以及對風(fēng)電場的微觀選址、載荷預(yù)測、功率預(yù)測以及控制策略都有著重要的意義。