為了研究甘肅地區(qū)大氣邊界層與風(fēng)力機的相互作用, 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)力機開展了外場試驗和數(shù)值模擬。圖1展示的是外場試驗平臺, 其中包括風(fēng)力機, 測風(fēng)塔和尾流測量平臺。
圖1??現(xiàn)場試驗系統(tǒng), 尾流速度測量平臺, 風(fēng)力機, 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)李曄教授團隊聯(lián)合中科院力學(xué)研究所胡文瑞院士團隊, 以及蘭州理工大學(xué)李仁年教授團隊完成。論文共分為兩個部分, 其中試驗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)力機的氣動性能, 之前的多數(shù)研究者主要利用風(fēng)洞試驗和穩(wěn)定來流展開研究, 但隨著現(xiàn)代風(fēng)力機尺寸越來越大, 風(fēng)力機與大氣邊界層的相互作用越來越明顯, 尤其是針對復(fù)雜的真實大氣環(huán)境, 風(fēng)力機的氣動特性將變得復(fù)雜多變, 它將對風(fēng)力機的載荷和下游風(fēng)力機的功率輸出造成嚴重的影響。
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)力機試驗外場, 對甘肅地區(qū)大氣湍流來流條件下, 偏航狀態(tài)時風(fēng)力機的尾流特性和氣動載荷響應(yīng)進行研究, 著重分析了大氣邊界層與獨立風(fēng)力機的交互作用, 這對于研究風(fēng)力機在大氣邊界層中的氣動性能具有重要意義。該項研究在試驗測量部分采用超聲波風(fēng)速儀對風(fēng)力機尾流進行測量, 分析了測點處的速度虧損特性,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狀態(tài)的風(fēng)力機進行數(shù)值計算, 進而能夠更加清晰、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)力機產(chǎn)生不對稱的載荷循環(huán), 進而對風(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。
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
