濃縮風能裝置流場風切變特性實驗研究

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1、摘要本論文選題是國家自然科學基金資助項目《濃縮風能型風力發(fā)電機葉輪系列化的風洞實驗與研究》[批準號：59776033]中的一部分。風切變對大型的風電機組危害不容忽視。濃縮風能型風電機組具有提高風能的能流密度，改善風能的不穩(wěn)定性作用。為研究濃縮風能裝置減弱來自風切變對風電機組的危害，論文以濃縮風能裝置為對象，采用仿真、車載實驗和風洞實驗方法，主要進行了以下工作。論文首先介紹了選題背景，揭示出大型風電機組的風切變問題，綜述了風電機組風切變的研究情況，介紹了濃縮風能型風電機組的研究現(xiàn)狀以及優(yōu)勢；其次，詳細分析了濃縮風能理論基礎(chǔ)、基本思想、技術(shù)可行性和計算流體力學的相關(guān)

2、知識；然后，將濃縮風能裝置模型置于均勻平行來流風的流場中采用數(shù)值仿真和車載實驗，對濃縮風能裝置進行研究；接著，將濃縮風能裝置模型置于帶有風速梯度的來流風的流場中采用數(shù)值仿真和風洞實驗，對傳統(tǒng)濃縮風能裝置和改進濃縮風能裝置進行研究。研究成果如下：（1）中央圓筒直徑900mm的傳統(tǒng)濃縮風能裝置在均勻平行來流流場中，當流體流過濃縮風能裝置首先近壁面流體被加速，在中央圓筒中間截面前0.22m截面近壁面流體流速超過中心軸流體流速，而后在中央圓筒附近達到最高值，之后隨著軸向距離增加，逐漸形成中心軸流體流速大于近壁面流體流速的流場。（2）對實驗用風洞進行均勻性和穩(wěn)定性測試，并

3、測試出風洞模擬大氣邊界層的風速梯度曲線；以測試過的風洞，進行傳統(tǒng)濃縮風能裝置模型、濃縮風能裝置改進模型I和改進模型II的風切變風洞實驗，實驗證明濃縮風能裝置具有減輕風切變的能力；傳統(tǒng)濃縮風能裝置使來流風速梯度由4.2/s減弱為中央圓筒流速梯度3.4/s，使來流風速梯度降低20%；改進模型I使來流風速梯度由4.2/s減弱為中央圓筒流速梯度2.08/s，使來流風速梯度降低50%；改進模型II使來流風速梯度由4.2/s減弱為中央圓筒流速梯度1.36/s，使來流風速梯度降低68%。（3）建立了濃縮風能裝置的數(shù)值模擬模型，以風洞測試的風速梯度為來流風速梯度進行了濃縮風能裝

4、置的風切變數(shù)值模擬，計算結(jié)果顯示傳統(tǒng)風能濃縮風能裝置模型、改進模型I、改進模型II減輕風切變作用的能力逐漸加大。（4）中央圓筒直徑900mm的濃縮風能裝置在距中央圓筒壁面50mm附近出現(xiàn)邊界層效應；中央圓筒直徑300mm的濃縮風能裝置在距中央圓筒壁面15mm附近出現(xiàn)邊界層效應。（5）仿真和實驗表明風切變下濃縮風能裝置具有提高風力發(fā)電質(zhì)量和載荷均勻度作用。（6）由傳統(tǒng)濃縮風能裝置模型、濃縮風能裝置改進模型I和改進模型II的實驗與仿真結(jié)果可以看出，數(shù)值計算與實驗相符。數(shù)值計算結(jié)果大于實驗測得的數(shù)據(jù)，主要原因是數(shù)值計算模型的理想化和實驗模型的模型不對稱度、壁厚等沒有在

5、數(shù)值模擬中體現(xiàn)與約束。關(guān)鍵詞：濃縮風能裝置；風切變；流場特性；風洞實驗；仿真ExperimentalStudyonFlowFieldCharacteristicofConcentratedWindEnergyEquipmentinWindShearAbstractTheresearchisapartoftheNationalNaturalScienceFoundationofChinaProject“WindTunnelExperimentandResearchonSeriesBladesofConcentratedWindEnergyTurbine”[NO:5

6、9776033].Thehazardofwindsheartolargewindturbinescannotbeignored.CWETS(ConcentratedWindEnergyTurbineGeneratorSystems)canincreasewindenergydensityandimprovewindenergyinstability.InordertostudytheabilityofconcentratedequipmenttoweakenthehazardtotheCWETSfromwindshear,thecombinationstudym

7、ethodofnumericalsimulation,test-in-truckexperimentandthewindtunnelexperimentareusedinthisthesis.Themainjobsareasfollows:Atfirst,thispaperintroducesthetopicbackground,revealsthewindshearproblemoflargewindturbines,summarizestheresearchsituationofwindturbineswindshear,andpresentstherese

8、archstatusan