偏航對風(fēng)力機尾跡流場影響的數(shù)值研究

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1、分類號:學(xué)校代碼:10128UDC:學(xué)號:20151800107碩士學(xué)位論文（學(xué)生類別：全日制專業(yè)型碩士研究生學(xué)位類別：工程碩士領(lǐng)域名稱：動力工程論文題目：偏航對風(fēng)力機尾跡流場影響的數(shù)值研究英文題目：Numericalresearchoninfluenceofwakeflowofwindturbineunderyaw學(xué)生姓名：李得銀導(dǎo)師姓名：張立茹教授韓曉亮高工二○一八年六月內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，受到世界各國的極大青睞。但是由于自然風(fēng)的復(fù)雜多變，使得風(fēng)力機運行在復(fù)雜的隨機風(fēng)速場中，時常處于偏航狀態(tài)。偏航導(dǎo)致風(fēng)力機風(fēng)能利用率下降，尾

2、跡流場發(fā)生改變。因此，分析偏航狀態(tài)下風(fēng)力機的尾跡流場變化具有十分重要的意義。本文采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法，探究偏航風(fēng)力機的尾流特性為風(fēng)力機設(shè)計以及風(fēng)電場風(fēng)力機布置提供參考。以額定功率300W、風(fēng)輪直徑1.4m的S翼型三葉片水平軸風(fēng)力機為研究對象，基于ANSYSCFX工作平臺對偏航狀態(tài)下水平軸風(fēng)力機的尾跡流場進行數(shù)值模擬。定性定量的分析不同風(fēng)速、不同尖速比、不同偏航狀態(tài)下風(fēng)力機輸出功率變化情況以及風(fēng)輪后尾跡速度的演化規(guī)律、尾跡偏轉(zhuǎn)情況以及湍流衰減和恢復(fù)情況。本文的主要研究內(nèi)容包括以下三個方面：首先，對不同偏航狀態(tài)風(fēng)力機的葉片表面壓力和輸出功率進行監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)在

3、同一徑向截面隨著偏航角的增大葉片表面壓強差減??；在同一偏航角下沿葉展方向越靠近葉尖，葉片壓力面和吸力面的壓強差越大，揭示了葉尖做功能力最大；在額定工況下輸出功率隨偏航角的增大而減小，造成風(fēng)力機輸出功率有明顯損失的偏航角臨界值為15°；在同一偏航角下風(fēng)力機的輸出功率隨尖速比的增大而增大，在同一尖速比下造成風(fēng)力機輸出功率有明顯損失的偏航角臨界值均為15°。其次，在風(fēng)輪后布點，分析不同偏航角風(fēng)力機尾跡演化過程以及尾跡的偏轉(zhuǎn)過程。通過研究發(fā)現(xiàn)：偏航導(dǎo)致風(fēng)力機尾跡整體和尾跡中心均向X軸負方向一側(cè)偏斜，并且偏航角越大尾跡偏斜的程度越大；偏航角越大尾跡速度虧損量越小，尾跡速度恢復(fù)越

4、快，偏航縮短了風(fēng)力機的尾跡；在同一軸向位置，尾跡不對稱，偏航角越大尾跡的卷曲程度越大，尾跡越紊亂；尾跡上側(cè)尾跡速度遵循偏航角越大速度虧損越小的規(guī)律，尾跡下側(cè)尾跡速度虧損較嚴重，且各徑向位置尾跡速度的差別較大；尾跡偏轉(zhuǎn)角隨軸向距離的增大先增大后逐漸減小到0°；在同一軸向位置尾跡上側(cè)尾跡偏轉(zhuǎn)角相對較小，尾跡下側(cè)尾跡偏轉(zhuǎn)角相對較大，且最大值接近于偏航角。最后，探究不同工況風(fēng)輪前后湍流強度及尾跡渦的變化情況，通過研究發(fā)現(xiàn)：風(fēng)力機尾跡處的湍流強度隨偏航角的增大恢復(fù)加快，風(fēng)輪后0.4D之前湍流強度低于入口值；風(fēng)輪前來流湍流強度的衰減造成了風(fēng)輪后0.4D之前湍流強度低于入口值，并且

5、在風(fēng)輪前6個偏航工況湍流強度衰減情況一致；同一偏航工況下，SSTk-ω模型計算得到的湍流強度衰減程度最小，湍流強度隨風(fēng)速增大先增大后減?。煌惠S向位置，尾跡上側(cè)沿葉展方向越靠近葉尖湍流強度越小并且偏航角增大湍流強度減小，尾跡下側(cè)相較于上側(cè)湍流強度較大；風(fēng)力機處于偏航狀態(tài)時尾跡渦不對稱，I內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文尾跡上下側(cè)渦量分布不一致，偏航角越大渦量值越大尾跡渦整體形狀越不規(guī)則。關(guān)鍵詞：水平軸風(fēng)力機；偏航；尾跡；尾跡偏轉(zhuǎn)角；湍流強度II內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractAsarenewableandcleanenergysource,windenergyha

6、sbeengreatlyfavoredbyallcountriesintheworld.However,duetothecomplexandchangeablenaturalwind,thewindturbinerunsinacomplexrandomwindfield,anditisalwaysatayawcondition.Theyawleadstoadecreaseinthewindenergyutilizationrateandchangesinthewakeflowfield.Therefore,itisofgreatsignificancetoanalyz

7、ethevariationofwakeflowfieldofawindturbineunderyawcondition.Inthispaper,theoreticalanalysisandnumericalsimulationareusedtoexplorethewakecharacteristicsofayawwindturbineforthedesignofwindturbinesandthelayoutofwindfarmwindturbines.TakingtheS-wingthree-bladehorizontalaxiswindturbi