为了研究甘肃地区大气边界层与风力机的相互作用, 对一台风轮直径为14.8 m, 轮毂高度为15.4 m的33 kW水平轴风力机开展了外场试验和数值模拟。图1展示的是外场试验平台, 其中包括风力机, 测风塔和尾流测量平台。

图1  现场试验系统, 尾流速度测量平台, 风力机, 测风塔

研究相关的论文题为: “Interaction between the atmospheric boundary layer and a stand-alone wind turbine in Gansu”, 为近期出版的2018年第9期Science China Physics， Mechanics & Astronomy的封面文章, 该研究由上海交通大学李晔教授团队联合中科院力学研究所胡文瑞院士团队, 以及兰州理工大学李仁年教授团队完成。论文共分为两个部分, 其中试验测量及分析部分由李德顺副教授担任第一作者撰写, 数值模拟及分析部分由郑直副教授担任第一作者撰写。研究者通过试验与数值模拟的结合分析, 得到了大气边界层中风力机的尾流和载荷特性, 揭示了大气边界层对风轮尾流的演化和气动载荷响应有很大影响。

针对风力机的气动性能, 之前的多数研究者主要利用风洞试验和稳定来流展开研究, 但随着现代风力机尺寸越来越大, 风力机与大气边界层的相互作用越来越明显, 尤其是针对复杂的真实大气环境, 风力机的气动特性将变得复杂多变, 它将对风力机的载荷和下游风力机的功率输出造成严重的影响。

图2  风速和叶尖涡的分布

该课题组利用兰州理工大学风力机试验外场, 对甘肃地区大气湍流来流条件下, 偏航状态时风力机的尾流特性和气动载荷响应进行研究, 着重分析了大气边界层与独立风力机的交互作用, 这对于研究风力机在大气边界层中的气动性能具有重要意义。该项研究在试验测量部分采用超声波风速仪对风力机尾流进行测量, 分析了测点处的速度亏损特性,湍动能变化规律, 湍流结构以及在侧向力作用下尾流的非对称现象。数值模拟部分利用大涡模拟与致动线模型耦合的方法对试验状态的风力机进行数值计算, 进而能够更加清晰、直观地反映尾流中涡的变化规律, 如图2所示。此外也能反映出风轮结构在大气边界层中的响应, 通过大气湍流和风力机载荷响应的联合分析发现, 当来流风速方向发生快速改变时, 大气湍流中湍动能和相干湍动能增加, 造成风轮载荷曲线中出现脉动。此外, 各向异性的大气湍流会导致风力机产生不对称的载荷循环, 进而对风轮旋转轴造成冲击并增加其上的疲劳载荷。

这一研究对于现代大型风力机的设计、优化, 以及对风电场的微观选址、载荷预测、功率预测以及控制策略都有着重要的意义。