热带气旋作用下风电场三维紊流强度分析研究

文献分析显示东南沿海风电场在热带气旋影响下风场紊流强度异常变化是导致风力机强迫振动失效的重要原因之一，为此，本申请项目将针对该气候条件下风电场中三维紊流强度特性进行研究。拟利用在紊流风场和风力机气动等方面研究所取得的经验和成果，采用随机过程理论和大气边界层理论，结合沿海气象数据，获得反映热带气旋典型特征的风场模型，同时考虑风电场地形地貌影响改进型准则模型、多因素影响尾流模型以及风力机整机全三维塔影效应模型，并通过风洞实验修正，建立热带气旋作用下风电场三维紊流风场模型，在此基础上，研究风电场地形地貌、风力机尾流和塔影效应对距地形不同高度平面、不同地形截面以及风力机入流风场中三维紊流强度分布特征与变化规律的影响。本项目研究成果将为开展热带气旋风况下风力机自主创新设计、相应设计标准制定以及风电场微观选址提供理论依据，同时也为发生类似失效事故的风力机提供失效诊断手段和改进方案。

采用随机过程和大气边界层理论，结合我国近60年东南沿海热带气旋测量数据统计分析，创建了反映气旋入流分布特征规律的风场模型。综合动量-叶素理论和CFD方法各自优势，将风电叶片简化为无厚度直线或平面，沿该线或面分布的体力大小以BEM理论模块计算，作为CFD算法模块的输入边界来反复迭代求解尾流速度场，并辅以不同气动影响因素修正，开发了高效、准确的致动体尾流模型。作为关键环节之一，应用该致动体模型，开展了气动-伺服-弹性仿真平台，翼-涡耦合和仿鲸鱼鳍气动分离等流动控制机理，以及新型反映中国风资源特点的风电叶片气动、结构、材料、制造一体化设计平台等项研究，取得了较好的成效。另一方面，利用致动体模型，通过发展基于动能衰减原理的多尾流叠加模型和基于粒子族群算法的风力机优化布置模型，建立了经风洞实验和实际工程验证的热带气旋作用下风电场三维紊流风场模型。在此基础上，分别揭示了不同典型特征地形和风力机布置对于气旋风场作用下湍流强度、风加速因子、阵风因子、湍动能、功率谱等主要湍流平均和波动风特性的影响规律和相关流动机理，为进一步开展热带气旋风况下风力机自主创新设计、相应设计标准制定以及风电场微观选址提供了重要理论依据。