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风电场气流数值模拟与风力机翼型研究

陈寅  
【摘要】:随着科学技术的不断进步,社会的电力需求不断攀升。在能源消耗,环境压力越来越大的今天,节能和环保成为了时代的主题。风力发电作为一种低碳的能源形式和较成熟的能源技术,在人类历史上有着悠久的应用。进入21世纪以后,随着石油煤炭资源的逐渐枯竭,风力发电有重新焕发了青春。 前人针对风场的外场做过很多的工作,更多的是宏观经验总结,并未对具体的外场中尺度风况进行定性分析。风力机组的运行受到环境因素的影响很大,特定地形条件下的气流,如山地风场的负切变;特定的空气质量,如沙尘和表面粗糙度的变化引起的叶片变形;特定情况下使用襟翼增大风轮的捕风能力。前人做过很多对翼型的研究,但是,对翼型的研究往往忽略了风场的实际情况。本文就结合风场外场风特性和脉动风的影响因素对翼型进行进一步的研究。 CFD方法是研究流体力学问题的的重要途径。应用商用软件Fluent的UDF功能,编译平地的风速剖面曲线。通过Gambit建立地形的几何模型,模拟不同地形条件下风速变化规律。结合风速的变化,提出翼型运行的特点和脉动风速的数学模型。在分析脉动风速对翼型气动性能影响的基础上,结合几种翼型的变化进行综合分析。 风电场作为风力发电的载体,受到自然因素的影响很大。其中风电场位置的选择和机组的布置,直接关系到风电场的发电效果。了解复杂地形环境下的风能分布,能避开不利地形条件,通过地形外场风速模拟得到了一些重要结论。在山脊地形的二维模拟中发现,对于缓坡地形,风资源开发的价值很大,山顶的风速增加非常明显。陡坡山体造成外流场湍流形成了速度分布的不规律,在背风坡还形成了回流。陡坡数量较多的起伏地形不利于风电场的开发;但是在最高的峰顶有一定的开发价值,最高山顶离地100m高度的风速增量多达0.5倍。二维模型的背风坡发生的回流现象在三维圆形山体模型上没有发生。针对悬崖地形的外场分析,应该尽量避免在该地形条件下布置风力机机组,并与悬崖保持一定距离。在峡谷出口的两座山体顶部,风资源优势明显。背风坡对负切变的形成影响要大于迎风坡的作用等等。 通过分析各种地形的风切变规律和脉动风速的数学模型,对翼型进行非定常模拟,分析翼型的气动性能随时间的变化。针对常见的翼型几何形状变化,如尾缘厚度的变化,前缘粗糙度的影响,和某些情况下使用襟翼等增升设备,进行数值模拟和气动分析。结果表明,叶片截面翼型的选择和使用要根据风力机组的当地环境条件作出适当的修改。脉动风速在翼型小攻角的情况下对气动性能影响不大;但是在失速状态下,脉动风速对翼型的气动性能的影响就很明显。


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