浓缩风能装置流场风切变特性实验研究

【摘要】：本论文选题是国家自然科学基金资助项目《浓缩风能型风力发电机叶轮系列化的风洞实验与研究》[批准号：59776033]中的一部分。风切变对大型的风电机组危害不容忽视。浓缩风能型风电机组具有提高风能的能流密度，改善风能的不稳定性作用。为研究浓缩风能装置减弱来自风切变对风电机组的危害，论文以浓缩风能装置为对象，采用仿真、车载实验和风洞实验方法，主要进行了以下工作。 论文首先介绍了选题背景，揭示出大型风电机组的风切变问题，综述了风电机组风切变的研究情况，介绍了浓缩风能型风电机组的研究现状以及优势；其次，详细分析了浓缩风能理论基础、基本思想、技术可行性和计算流体力学的相关知识；然后，将浓缩风能装置模型置于均匀平行来流风的流场中采用数值仿真和车载实验，对浓缩风能装置进行研究；接着，将浓缩风能装置模型置于带有风速梯度的来流风的流场中采用数值仿真和风洞实验，对传统浓缩风能装置和改进浓缩风能装置进行研究。研究成果如下： （1）中央圆筒直径900mm的传统浓缩风能装置在均匀平行来流流场中，当流体流过浓缩风能装置首先近壁面流体被加速，在中央圆筒中间截面前0.22m截面近壁面流体流速超过中心轴流体流速，而后在中央圆筒附近达到最高值，之后随着轴向距离增加，逐渐形成中心轴流体流速大于近壁面流体流速的流场。 （2）对实验用风洞进行均匀性和稳定性测试，并测试出风洞模拟大气边界层的风速梯度曲线；以测试过的风洞，进行传统浓缩风能装置模型、浓缩风能装置改进模型I和改进模型II的风切变风洞实验，实验证明浓缩风能装置具有减轻风切变的能力；传统浓缩风能装置使来流风速梯度由4.2/s减弱为中央圆筒流速梯度3.4/s，使来流风速梯度降低20%；改进模型I使来流风速梯度由4.2/s减弱为中央圆筒流速梯度2.08/s，使来流风速梯度降低50%；改进模型II使来流风速梯度由4.2/s减弱为中央圆筒流速梯度1.36/s，使来流风速梯度降低68%。 （3）建立了浓缩风能装置的数值模拟模型，以风洞测试的风速梯度为来流风速梯度进行了浓缩风能装置的风切变数值模拟，计算结果显示传统风能浓缩风能装置模型、改进模型I、改进模型II减轻风切变作用的能力逐渐加大。 （4）中央圆筒直径900mm的浓缩风能装置在距中央圆筒壁面50mm附近出现边界层效应；中央圆筒直径300mm的浓缩风能装置在距中央圆筒壁面15mm附近出现边界层效应。 （5）仿真和实验表明风切变下浓缩风能装置具有提高风力发电质量和载荷均匀度作用。 （6）由传统浓缩风能装置模型、浓缩风能装置改进模型I和改进模型II的实验与仿真结果可以看出，数值计算与实验相符。数值计算结果大于实验测得的数据，主要原因是数值计算模型的理想化和实验模型的模型不对称度、壁厚等没有在数值模拟中体现与约束。 【关键词】：浓缩风能装置 风切变 流场特性 风洞实验 仿真
【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-14
• 1 引言14-26
• 1.1 选题背景14-23
• 1.1.1 国外风力发电技术的发展14-15
• 1.1.2 国内风力发电技术的发展15-17
• 1.1.3 风力发电机组大型化发展现状17-19
• 1.1.4 风力发电机组风切变研究现状19-21
• 1.1.5 浓缩风能型风力发电机研究现状21-22
• 1.1.6 浓缩风能型风力发电机组优势22-23
• 1.2 选题意义23-24
• 1.3 论文结构与研究技术路线24-26
• 1.3.1 论文结构24
• 1.3.2 研究技术路线24-26
• 2 浓缩风能理论与 CFD 数值模拟的理论基础26-35
• 2.1 浓缩风能理论基础26-27
• 2.1.1 浓缩风能理论的基本思想26
• 2.1.2 浓缩风能理论分析26-27
• 2.2 CFD 数值模拟的理论基础27-35
• 2.2.1 流体流动的控制方程28-30
• 2.2.2 湍流模型30-33
• 2.2.3 计算软件介绍33-35
• 3 浓缩风能装置的流场仿真与实验35-56
• 3.1 浓缩风能装置的流场仿真35-41
• 3.1.1 浓缩风能装置模型建立35-36
• 3.1.2 计算域的确定36
• 3.1.3 模型网格划分36-37
• 3.1.4 边界条件确定37
• 3.1.5 模拟结果与分析37-41
• 3.2 浓缩风能装置的流场车载实验41-54
• 3.2.1 车载实验41-44
• 3.2.2 实验结果与分析44-53
• 3.2.3 温度不同引起的误差53-54
• 3.3 小结54-56
• 4 风切变下传统浓缩风能装置的流场仿真与实验56-79
• 4.1 风切变理论56-57
• 4.1.1 指数规律56
• 4.1.2 对数规律56-57
• 4.2 风切变下浓缩风能型风电机组传统浓缩装置的流场仿真57-63
• 4.2.1 模型建立57-58
• 4.2.2 计算域的确定58
• 4.2.3 网格划分58
• 4.2.4 边界条件确定58-59
• 4.2.5 模拟结果与分析59-63
• 4.3 风洞与实验仪器63-64
• 4.3.1 风洞简介63-64
• 4.3.2 实验仪器64
• 4.4 风切变下浓缩风能型风电机组传统浓缩装置的流场风洞实验64-78
• 4.4.1 风洞流场的测试64-72
• 4.4.2 传统浓缩风能装置风洞实验72-74
• 4.4.3 实验结果与分析74-77
• 4.4.4 误差分析77-78
• 4.5 小结78-79
• 5 风切变下浓缩风能装置改进模型 I 的流场仿真与实验79-92
• 5.1 浓缩风能装置改进设计79
• 5.2 风切变下浓缩风能装置改进模型 I 的流场仿真79-85
• 5.2.1 模型建立79-80
• 5.2.2 计算域的确定80
• 5.2.3 网格划分80
• 5.2.4 边界条件确定80-81
• 5.2.5 模拟结果与分析81-85
• 5.3 风切变下浓缩风能装置改进模型 I 的流场风洞试验85-90
• 5.3.1 浓缩风能装置改进模型 I 实验85
• 5.3.2 实验结果与分析85-89
• 5.3.3 误差分析89-90
• 5.4 小结90-91
• 5.5 传统浓缩风能装置模型与浓缩风能装置改进模型 I 结果对比91-92
• 6 风切变下浓缩风能装置改进模型 II 的流场仿真与实验92-105
• 6.1 浓缩风能装置改进设计92
• 6.2 风切变下浓缩风能装置改进模型 II 的流场仿真92-98
• 6.2.1 模型建立92-93
• 6.2.2 计算域的确定93
• 6.2.3 网格划分93
• 6.2.4 边界条件确定93-94
• 6.2.5 模拟结果与分析94-98
• 6.3 风切变下浓缩风能装置改进 II 的流场风洞试验98-103
• 6.3.1 浓缩风能装置改进模型 II 实验98-99
• 6.3.2 实验结果与分析99-103
• 6.3.3 误差分析103
• 6.4 小结103-104
• 6.5 浓缩风能装置改进模型 II 与浓缩风能装置改进模型 I 结果对比104-105
• 7 结论与展望105-107
• 7.1 结论105
• 7.2 创新点105-106
• 7.3 展望106-107
• 致谢107-108
• 参考文献108-115
• 附录115-117
• 作者简介117
• 攻读博士期间共发表或已录用相关研究论文情况117

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