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风力机气动载荷及尾流场研究

作　者: 仇永兴
导　师: 康顺
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 流体机械及工程
关键词: 风力机 气动载荷 尾流 涡格法 面元法
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 168次
引　用: 2次
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内容摘要


我国规模化风能利用的快速发展,将风力机的集群问题推到一个新的高度。允分考虑风场中各台风力机的载荷和尾流相互影响,是开展风力机位置优化布局和发电量准确预报的前提。这将影响风力机效率、电网调度决策和投资回报,甚至威胁风力机寿命和运行安全。为此,以单台风力机为研究对象,基于涡系理论研究了风力机载荷和尾流场计算方法,以求能够准确、快速的进行实时计算,为风电场多台风力机的出力和尾流相互作用计算奠定研究基础。深入研究了丌力线方法、升力面方法和面元法的计算原理和数值过程。首先,分别以升力线模型和显式KUTTA条件的非平面涡格法模型为基础,计算了机翼和NREL PhaseⅥ风力机的气动载荷,对计算结果进行了分析比较。然后,以HESS-SMITH研元法为基础,编写了计算二维升力体绕流和三维升力体绕流的计算程序,分别计算了二维翼型、三维机翼以及NREL PhaseⅥ风力机的气动载荷,对计算结果进行了分析比较。最后使用三维面元法计算程序,计算和分析了NRELPhaseⅥ风力机的近、远尾流场。结果表明,而元法较升力线和升力面方法能够更准确的计算风力机的绕流场。与叶素动量理论相比,面元法能够计算叶片表面压力分布和尾流场,并且不受叶片几何限制。与计算流体力学(CFD)方法相比,面元法计算效率大为提高。以三维HESS-SMITH面元法为基础,所开发的求解风力机叶片气动载荷和尾流场分析的工程计算程序,为计算风力机集群的功率预报提供了技术支撑。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-10
第1章 引言  10-17
  1.1 研究背景  10-13
    1.1.1 风能利用发展现状  10-12
    1.1.2 风力机的空气动力学问题  12-13
  1.2 国内外研究现状和主要方法  13-16
  1.3 论文主要工作及结构安排  16-17
第2章 升力线及升力面方法  17-33
  2.1 升力线理论  17-19
  2.2 风力机的升力线模型  19-24
    2.2.1 附着涡环量的求解  19-22
    2.2.2 气动载荷的求解  22
    2.2.3 有限长涡线段的扰动速度  22-24
    2.2.4 尾涡模型  24
  2.3 升力线模型的算例与分析  24-26
  2.4 升力面理论  26-27
  2.5 涡格法  27
  2.6 风力机的非平面涡格法模型  27-29
    2.6.1 涡格的建立  27-28
    2.6.2 数值求解与载荷计算  28
    2.6.3 库塔条件的处理  28-29
  2.7 升力面模型的算例与分析  29-31
    2.7.1 机翼算例  29-31
    2.7.2 NREL Phase Ⅵ涡格法算例  31
  2.8 本章小结  31-33
第3章 速度面元法  33-52
  3.1 面元法概述  33-34
  3.2 二维HESS-SMITH面元法  34-37
    3.2.1 面元的基本构成  34-35
    3.2.2 面元的数学模型  35
    3.2.3 计算坐标系  35-36
    3.2.4 库塔条件的处理  36-37
    3.2.5 控制方程  37
    3.2.6 面元的划分  37
  3.3 翼型绕流的算例与分析  37-38
  3.4 二维HESS-SMITH面元法  38-45
    3.4.1 三维面元的基本构成  38-39
    3.4.2 叶片偶极子面产生的扰动速度  39
    3.4.3 源面产生的扰动速度  39-40
    3.4.4 尾流面元的扰动速度  40
    3.4.5 面元的排布方式  40-41
    3.4.6 计算模型的坐标系  41
    3.4.7 控制方程与尾迹几何  41-42
    3.4.8 奇点强度的求解  42-44
    3.4.9 库塔条件方程  44
    3.4.10 计入粘性影响的气动载荷计算  44-45
  3.5 三维面元法计算的算例与分析  45-50
    3.5.1 确认性算例  45-47
    3.5.2 NREL Phase Ⅵ速度面元法算例  47-50
  3.6 本章小结  50-52
第4章 尾流场分析  52-55
  4.1 风力机尾流场计算  52-53
    4.1.1 尾迹模型的选取  52
    4.1.2 计算工况的选取  52-53
  4.2 计算结果与分析  53-54
  4.3 本章小结  54-55
第5章 结论与展望  55-57
  5.1 论文的主要结论  55-56
  5.2 展望  56-57
参考文献  57-60
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  60-61
攻读硕士学位期间参加的科研工作  61-62
致谢  62

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 风能、风力机械 > 风力机械和设备
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