风能工程中的流体力学.

风能工程中的流体力学—大气边界层风的特性目录一、研究背景二、平均风特性及模型三、脉动风特性及模型四、大气边界层风特性的影响因素五、总结研究背景风能是目前可再生能源中技术相对成熟,并具有规模化开发条件和商业化发展前景的一种能源。风力发电是将大气边界层内的风能转化为电能的技术,风力发电的效益取决于风速的时间与空间分布以及风力机的风能利用效率。风能工程中的大气边界层研究主要关注风速分布情况,包括其平均风速的时空变化、脉动风速的强度及频谱特性等,并依此建立工程模型,以应用于风资源的评估、风场选址以及风力机组的设计等。平均风特性及模型大气边界层气流为湍流,风速随空间和时间的变化是随机的。为了建立工程应用的风特性模型,将气流运动速度可分解为平均风速和脉动风速,即平均风速为[t1，t2]是一个可选参数,不同时间间隔的平均风速是不同的。)(')(tVVtV21112)()(ttdttVttV平均风特性及模型在周期为10分钟到1小时范围内,功率谱曲线比较平坦。如果将平均风速取在这一范围内,平均风速基本上是一个稳定值,可以忽略湍流引起的变化。在大气边界层内,平均风速随高度发生变化,该速度剖面称为风剪切或风速廓线。根据边界层内湍流运动的速度分布规律,风速廓线可近似采用对数或指数律来表征。VanDerHoven在100m高度处测量水平风速功率谱曲线平均风特性及模型1、对数律分布)ln()()(0*zzkVzV高度100m以内高度大于100m)](75.5))[ln(()(0*gzzzzkVzVz为高度,V*为摩擦速度,k为卡门常数,一般近似取0.4,z0为地表面粗糙度长度,是一个经验常数。z0具有很大的自由度,实际上造成了风速模型的不确定性。zg=0.175V*/fc；fc=2Ωsin。Ω=7.27X10-5rad/s(Ω为地球自转角速度),为纬度。平均风特性及模型2、指数律分布用指数律分布计算风速廓线时比较简便,因此,目前多数国家采用经验的指数律分布来描述近地层中平均风速随高度的变化，其表达式为)()()(sszzzVzVzs为参考高度,可取10m。α为风速廓线指数。这里,风速廓线指数是反映风速分布形态的关键参数,其取值与地表面粗糙长度有关。为了保守设计需要，IEC61400-1(2003)标准中将α设定为0.20(Burton2003).平均风特性及模型3、大气稳定度对风速廓线的影响上述风速廓线指数是在大气边界层中性稳定条件下得到的。大气稳定度是指气体受到垂直方向的扰动后,是否回到原来的平衡位置的特性。如果扰动气流回到原来平衡位置,则大气层结是稳定的；如果继续远离平衡位置,则是不稳定的；既不发散也不回到原位,则是中性稳定的。为表达大气稳定度的影响,风速廓线表达式采用对数律并进行修正(David1994)00*)],())[ln(()(zzLzXzzkVzVss平均风特性及模型这里Ls为莫林--奥布霍夫(Monin--Obukhov)稳定长度,它是大气运动所引起的剪切力与热浮力之比。如果Ls的绝对值大于500,则大气边界层是中性稳定的,-500Ls0,则大气边界层不稳定,0Ls500,则大气边界层稳定。参数Xs称为大气稳定度函数,其表达式为：当大气为中性层结时Xs=0当大气为不稳定层结时Xs=4.5z/Ls;zLsXs=4.5[1+ln(z/Ls)];zLs当大气是稳定层结时Xs=-0.5z/Ls;zLsXs=-0.5[1+ln(z/Ls)];zLs脉动风特性及模型大气运动是一种湍流运动,表现为脉动的随机运动。湍流严重影响风力发电效率，还造成风力机结构的疲劳破坏,大大降低风电机组的使用寿命。脉动风速V'是风速中去除平均风速后的振荡风速,其统计平均特性为0,其概率密度函数非常接近于高斯分布或正态分布,可表达为]2'exp[21)'(22VVp式中为V’的均方根值。湍流脉动风可采用统计特性如湍流强度、湍流尺度、相关函数、功率谱密度、阵风系数等来描述大气运动中的湍流结构。脉动风特性及模型1、湍流强度湍流强度是描述风速随时间和空间变化的程度,反映脉动风速的相对强度,是描述大气湍流运动特性的最重要的特征量.湍流强度I定义为脉动速度均方根值与平均风速之比式中u’,v’,w’为纵向、横向和垂直方向上的脉动速度,为平均风速。VIwvu,'''222V脉动风特性及模型在风能研究中,主要考虑与平均风速方向平行的纵向湍流强度Iu。在中性稳定的大气边界层中,不存在热效应,湍流强度只依赖于地面粗糙度。IEC标准(Burton2003)给出的湍流强度公式为对于高强度的湍流,取I15=0.18,α=2;对于低强度湍流,取I15=0.16,α=3.其他方向的湍流可取Iv=0.8Iu,Iw=0.5Iu,或Iw=Iv=Iu.实际上，湍流强度的计算公式差别很大,反映了实际风场中湍流强度分布缺乏规律性。湍流受地面粗糙度、地形变化以及热效应的影响很大,局地环境的影响不可避免。)1/()/15(15VIIu脉动风特性及模型2、湍流积分尺度大气湍流运动是由许多不同尺度的旋涡运动组合而成,湍流积分尺度是表征各种湍流涡旋中最经常出现，起主导作用的湍涡的大小，定义为湍流相关系数的无穷积分，与叶片的非定常载荷计算密切相关。湍流积分尺度表示纵向脉动速度在纵向上的平均尺度为同一时刻t,空间两点间的纵向脉动速度和的空间相关函数。当空间两点间距小于湍流的平均尺度时,则两点处于同一旋涡内,因而两点的脉动速度是相关的,旋涡的作用将增强。uL0'2')(dxxRLuuu)('xRu1'u2'u脉动风特性及模型3、湍流功率谱密度湍流功率谱密度是湍流脉动动能在频率和波数空间上的分布密度,用来描述湍流中不同尺度的涡动能对湍流脉动动能的贡献,是计算风力机叶片疲劳特性的重要参数。目前有很多湍流功率谱用来描述大气在中性层结时的大气运动的脉动风特性目前设计规范中主要使用卡曼谱、西蒙谱和卡门谱。(1)卡曼谱卡曼谱考虑了大气湍流运动中湍流功率谱随高度的变化,其纵向湍流功率谱的表达式为zuVnzfffVnznS,)501(200),(3/52*'脉动风特性及模型(2)西蒙谱西蒙谱考虑了f的影响后对卡曼谱进行了修正(3)卡门谱卡门谱是Karman根据湍流各向同性的假设建立的湍流功率谱,其纵向湍流功率谱表达式为2.0,)501(200),(3/52*'fffVnznSu2.0,26.0),(3/22*'ffVnznSuzuuuVnLgggnznS,)8.701(4),(6/522''为积分尺度uL大气边界层风特性的影响因素在比较平坦的地形且大气边界层中性稳定的条件下,大气边界层风特性(平均风速廓线、湍流强度等)呈现出一定的规律。但实际情况中,这些规律会受到地形变化以及极端气象条件的影响,从而出现很大的偏离。显著影响大气边界层风特性的因素包括:1、极端风2、地面粗糙度变化3、地物影响4、地形影响大气边界层风特性的影响因素1、极端风极端风指通常很少出现的风,对风力发电存在极大的威胁。主要有以下两种:(1)寒潮大风(2)热带气旋2、地面粗糙度变化当地面粗糙度由一种类型变为另一种类型时,风速廓线变得非常复杂。大气边界层风特性的影响因素3、地物影响建筑物、防风林带等地物对其周围的大气流动特别是尾部的流动产生非常复杂的干扰。在干扰区,风速和湍流强度都会有很大的变化。4、地形影响地形对大气边界层风特性的影响比地表面粗糙度的影响还要重要。地形对湍流强度的影响十分复杂,有多种增强湍流度或降低湍流度的机理。复杂地形对大气边界层的影响与地形形状密切相关,没有可用的工程模型,实际风场的风速变化情况可根据现场测量、风洞实验或数值模拟结果来确定。总结纵观风力发电中大气边界层风的流动问题,一个典型的特点是其无处不在的不确定性,大气边界层的时空剧烈变化,缺乏精确的计算模型来反映其实际运动规律。因而在实际设计中只能采用较为保守的参数,这增加了风电机组的制造成本。目前流体力学研究的主要内容,仍然是综合考虑多种相互作用的影响因素,发展精度更高的风场模型。实际上,风能工程中流动特性的不确定性是固有的,来源于不同地形、不同气候环境下风资源的多样性,风力机设计必须在这种不确定性条件进行。谢谢！