| 题名 | 中性大气边界层中风力机与湍流的相互作用 |
| 作者 | 胡进森 |
| 答辩日期 | 2018 |
| 导师 | 李德顺 |
| 关键词 | 中性大气边界层 风力机尾流 湍流 风力机载荷 小波分析 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 英文摘要 | 在风电场内,风力机的性能和结构动力学特性很大程度上受到大气边界层和上游风力机尾流的影响。来流不仅会与风力机相互作用,还会影响尾流的传播和发展,进而影响下游风力机。本文通过大涡模拟和致动线模型结合的方法,模拟了了均匀来流条件和中性大气边界层来流条件的风力机流场,研究两种来流条件下湍流与风力机的相互作用。首先,基于小波变换的分析方法,结合致动线模型和大涡模拟研究了一台33k W水平轴风力机尾流湍流结构的时空演化过程。研究发现,随着距风轮平面距离的增大,尾流中各测点的平均速度先减小后逐渐增大,速度波动的幅值呈减小趋势;风轮后7倍直径内,速度曲线具有明显的周期性,反映出脱落涡通过频率为1.8Hz,其为风轮旋转频率的两倍。风轮后1倍直径测点处的叶尖涡所在的频率为0.78~25Hz,形成的涡管通过该测点的时间约为0.32s,涡管直径约为1.83m;3倍直径测点处出现了0.15~0.78Hz的低频率湍流结构;7倍直径测点处叶尖涡的频率为1.56~25Hz,相比7倍直径测点之前的叶尖涡频率范围有大幅减小;8倍直径测点处,与近尾流区域相似的叶尖涡的涡管形状消失;9倍直径测点处叶尖涡基本完全耗散。其次,针对均匀来流下的单台风力机,利用小波变换对风轮中心点的速度和风轮载荷进行分析。结果表明,风轮中心点的速度与风轮载荷存在对应关系,而风轮中心点的速度为尾流诱导的结果,反映出尾流对风轮载荷的影响。针对在上游风力机尾流场中不同轴向位置的风力机,发现尾流中的风力机平均载荷小于上游风力机平均载荷,但是载荷的均方根远大于上游风力机,并随着与上游风力机距离的增加,载荷的均方根逐渐增大。不同轴向位置的风力机挥舞弯矩对来流具有相似响应的载荷频率范围为0.781~1.562Hz,具有不同响应的载荷频率范围为1.565~3.125Hz。与上游风力机距离为3倍至7倍直径的风力机挥舞弯矩对来流有相似响应的载荷频率范围为3.125~6.25Hz,而距离为10倍风轮直径的风力机挥舞弯矩对来流响应不同。最后,根据一组外场实验的数据作为模拟的基本参数,模拟了中性大气边界层来流条件,研究中性大气边界层下的湍流与风力机的相互作用。湍流活动从风轮前到风轮后逐渐变强;湍流在风轮平面处比其他位置含有更小尺度的结构,在风轮后1倍风轮直径处与风轮前基本相似,湍流均以大尺度的结构运动,但风轮后的湍流能量高于风轮前的湍流。中性边界层条件下的湍流与风力机相互作用规律如下,来流湍流将能量传递给风力机,驱动风轮旋转,同时,风轮作用于湍流引起更高频率的湍流结构,该结构又作用于风力机产生较高频率的风力机载荷。对比风轮中心和叶尖处的两点与叶根挥舞载荷进行多分辨率分析,发现风力机低频载荷由来流中低频湍流引起,高频载荷与叶尖涡有关。通过相关性分析发现,含有水平方向的脉动湍流与载荷有较好的相关性。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 66 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/93729]  |
| 专题 | 兰州理工大学 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 胡进森. 中性大气边界层中风力机与湍流的相互作用[D]. 2018. |
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