流體力學(xué)報告

1、流體力學(xué)報告電力系統(tǒng)中的流體力學(xué) 曹東宇 20141292我國目前的電力系統(tǒng)情況：（1）隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速持續(xù)增長,特別是高耗能行業(yè)的高速增長,帶動了對能源需求的全面高漲,特別是對電力需求的快速增長,這種局面造成了我國電力供需緊張。（2）電網(wǎng)間由于不能有效的聯(lián)網(wǎng)也加劇了電力供需的不平衡。尤其是在經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)的東南沿海地區(qū),電力供應(yīng)緊張的形勢更加嚴(yán)峻。（3）從我國的電力工業(yè)結(jié)構(gòu)可以看到, “北煤西水”是中國電力布局的基本格局。煤電占65.3%,水電占23%, 風(fēng)電僅僅占7%。多少年來,中國一直在搞“北煤南運”和“西電東輸”,就是為了協(xié)調(diào)發(fā)電和用電的布局矛盾。（4）我國煙塵和二氧化硫的排放量其

2、中70%和80%分別來自煤的燃燒，我國也被國際社會批評沒有采取有效措施以減少溫室氣體的排放，因此,中國非常需要發(fā)展新能源和可再生能源來解決電力的緊張。 流體力學(xué)橫空出世了！這樣說：流體力學(xué)與電力系統(tǒng)簡直簡直是緊密相聯(lián)的！發(fā)電方式：1.第一火力發(fā)電 (NO.1)2.水力發(fā)電 (NO.2) 3.風(fēng)力發(fā)電 (NO.3)4.核電廠5.地?zé)崮馨l(fā)電 6.潮汐能發(fā)電7.生物質(zhì)能發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電：風(fēng)電技術(shù)經(jīng)過20年的開發(fā)日臻成熟, 其運行可靠性和發(fā)電成本接近常規(guī)火電,迅速發(fā)展成為初具規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)。目前我國的風(fēng)電裝機(jī)總量年趨增加，發(fā)展態(tài)勢良好。風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計：1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。葉片用來

3、接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭里裝有轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。2.現(xiàn)代風(fēng)輪設(shè)計一般采用新翼形設(shè)計, 除按照傳統(tǒng)要求在尖部采用薄翼型以滿足高升阻力、根部采用厚翼型滿足機(jī)械強(qiáng)度外, 新翼形和傳統(tǒng)的航空翼形有較大差別:一般在葉輪尖部采用較低的最大升力系數(shù), 并減少尖部葉片弦長, 以控制轉(zhuǎn)子尖部的負(fù)荷。而在中部采用較高的升力系數(shù), 并增加葉片弦長，以達(dá)到中等風(fēng)速時的最佳風(fēng)輪性能。這樣的設(shè)計可使風(fēng)輪年平均的能量輸出大大增加。限制功率輸出方式：一般來說,在12-16m/s的風(fēng)速區(qū),大型風(fēng)

4、力發(fā)電機(jī)的功率輸出可達(dá)到額定值。超過此風(fēng)速區(qū),必須降低葉輪的能量捕獲,使功率輸出保持在額定容量附近,同時減少葉片承受負(fù)荷和整個風(fēng)機(jī)受到的沖擊,保證風(fēng)機(jī)不受損害。當(dāng)前普遍采用的限制功率輸出方式有以下三種:a.失速調(diào)節(jié)方式, 依賴于葉片獨特的翼型結(jié)構(gòu),一般用于恒速運行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。在大風(fēng)時,流過葉片背風(fēng)面的氣流產(chǎn)生紊流,降低葉片氣動效率,影響能量捕獲,產(chǎn)生失速。b.變距調(diào)節(jié)方式,是通過改變?nèi)~片迎風(fēng)面與縱向旋轉(zhuǎn)軸的夾角,從而影響葉片的升力和阻力,限制大風(fēng)時風(fēng)機(jī)輸出功率的增加, 優(yōu)點是,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時,失速型風(fēng)機(jī)必須停機(jī),而變距型風(fēng)機(jī)可以逐步變化到一個槳葉無負(fù)載的全翼展模式位置,避免停機(jī),增加風(fēng)

5、機(jī)發(fā)電量。變距調(diào)節(jié)的缺點是對陣風(fēng)反應(yīng)要求靈敏。c.主動失速混合失速調(diào)節(jié),這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合，充分吸取了被動失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。湍流風(fēng)場：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理涉及空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等等，它們的相互作用會隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大變得更加顯著。故系統(tǒng)動力學(xué)特性必須通過建立湍流風(fēng)場模型來分析。瑞流風(fēng)譜一般用一個標(biāo)準(zhǔn)的平穩(wěn)隨機(jī)過程來描述，釆用功率譜密度函數(shù)描述瑞流能量在頻域內(nèi)的分布，當(dāng)前的瑞流風(fēng)速譜大部分都是經(jīng)驗公式，Mann于1994年提出了基于線性N-S方程（粘性不可壓縮流體動量守恒的運動方程）的波數(shù)譜。模擬了完整的同性中

6、性層大氣邊界層瑞流的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格滿足質(zhì)量守恒定律和N-S方程。經(jīng)過實踐反復(fù)認(rèn)證后，模型逐漸為業(yè)內(nèi)所認(rèn)可。 但其對于湍流中的風(fēng)切變?nèi)匀徊荒芎芎玫慕忉?！湍流風(fēng)場的難題風(fēng)切變： 對風(fēng)力發(fā)電有影響嗎？ 當(dāng)然有！風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行時，由于受到來流風(fēng)切變、偏航等不穩(wěn)定氣流因素影響，使得風(fēng)輪在多數(shù)情況下處于非穩(wěn)態(tài)的運行環(huán)境，風(fēng)速值在整個葉片旋轉(zhuǎn)掃掠面上是處處不同的，從而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組運行過程中產(chǎn)生非恒定的轉(zhuǎn)矩，這不僅會引發(fā)風(fēng)力機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)（葉片、塔架等）的振動，同時還將影響輸出功率的質(zhì)量，劇烈的風(fēng)切變甚至可能導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)強(qiáng)烈振動，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障停機(jī)。所以，對于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)切變的影響不容忽視！什么是風(fēng)切

7、變？風(fēng)切變是一種大氣現(xiàn)象，是指大氣中不同兩點之間的風(fēng)速或風(fēng)向的劇烈變化，風(fēng)切變按風(fēng)向可分為：水平風(fēng)切變、垂直風(fēng)切變。垂直風(fēng)切變：指垂直于地表方向上風(fēng)速或風(fēng)向隨高度的劇烈變化，水平風(fēng)切變：則指與地面平行的方向上風(fēng)向的急速轉(zhuǎn)變；形成：生風(fēng)切變的原因主要有兩大類，一類是大氣運動本身的變化所造成的；另一類則是地理、環(huán)境因素所造成的，有時是兩者綜合而成（風(fēng)切變可以出現(xiàn)在高空，也可以出現(xiàn)在低空。出現(xiàn)在600米以下的叫低空風(fēng)切變）。 所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)切變問題也是低空風(fēng)切變的一種。測量：1、模糊計算：z1，z2 為垂直高度（m）；v1，v2 分別為垂直高度z1，z2 處的風(fēng)速（m/s）； 為風(fēng)切變指數(shù)。在平

8、坦開闊的地形中推算風(fēng)速的廓線時，風(fēng)切變指數(shù)的初值通常取0.143，稱為1/7 冪律。2、精確計算：通過CFD確定邊界條件，建立數(shù)據(jù)庫分 析計算。流體力學(xué)中的風(fēng)電前沿：風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，開發(fā)了不少新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)型式多樣，有漂浮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，升降式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，四螺旋風(fēng)力機(jī)等等。 我中意的一種機(jī)型：濃縮風(fēng)能型發(fā)電機(jī)組濃縮風(fēng)能型發(fā)電機(jī)組是在不消耗其他能源的情況下，將稀薄的風(fēng)能經(jīng)濃縮風(fēng)能裝置加速、整流和均勻化后驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電，從而提高了風(fēng)能的能流密度。通過對風(fēng)能整流濃縮，使氣流平均動能提高到來流風(fēng)能的2.57倍，同時可以降低自然風(fēng)的湍流度，提升風(fēng)能的品位。 到底是怎樣的？

9、 1.自然界的風(fēng)，在垂直面內(nèi)是有一定風(fēng)速梯度的，呈現(xiàn)指數(shù)分布規(guī)律。風(fēng)力機(jī)的葉片在垂直面旋轉(zhuǎn)時迎風(fēng)風(fēng)速是不同的，這就造成葉片在上下兩個位置的尖速比不同，從而造成風(fēng)力機(jī)周期性震動和電能質(zhì)量下降。 2.常規(guī)的處理方法就是加大葉片的強(qiáng)度，采用變槳距控制，這些都是被動解決問題的方法。濃縮風(fēng)能裝置可以主動解決這一問題使葉片受到相對均勻的來流風(fēng)速，降低風(fēng)切變帶來的危害。濃縮風(fēng)能裝置的作用是整流流場，使具有一定風(fēng)速梯度的來流風(fēng)變?yōu)轱L(fēng)速梯度小的來流風(fēng)，從而降低由于風(fēng)速梯度帶來的危害。由流體力學(xué)知識可知，平行來流的實際流體橫向流過表面光滑的圓柱體，其流場狀況如下圖所示。從圖（a）可知，流場狀況不同于理想流體流場情

10、況，實際流體在圓柱體后半部分，流體處于減速增壓區(qū)，附面層發(fā)生分離，出現(xiàn)旋渦而產(chǎn)生紊流。圖(b)表示出在實際流場中表面光滑的圓柱體周圍360方向的靜壓系數(shù)(靜壓與前方來流動壓之比)分布規(guī)律。圖(c)表示出在流場中表面光滑的圓柱體的理論與實驗所得的靜壓系數(shù)分布規(guī)律，橫軸表示圓周方向的角度，縱軸表示靜壓系數(shù)。圖中實線為理論靜壓系數(shù)分布曲線，虛線是雷諾數(shù)Re為8.4106 時的實驗所得的靜壓系數(shù)分布曲線。由 (c)可知，在流場中從圓柱體正前方0到兩側(cè)30以內(nèi)，靜壓系數(shù)為正值；在30以外靜壓系數(shù)為負(fù)值；在70附近靜壓系數(shù)的負(fù)值最低。根據(jù)貝努利方程（z1+p1/?+v12/2g=z2+p2/ ? +v22/2g）可得，壓力系數(shù)由正值變?yōu)樨?fù)值時流速就會增加。根據(jù)圖（c）所示的在實際流場中的表面光滑的圓柱體周圍的靜壓系數(shù)分布特性的理論與實驗特性曲線，形成了濃縮風(fēng)能裝置的基本構(gòu)想。能否讓裝置產(chǎn)生負(fù)壓值來利用呢？設(shè)想在圓柱體形狀的裝置中間，從0向180方向開設(shè)一條流道，流道的中段是均勻的圓筒形通路且安裝特種葉輪和發(fā)電機(jī)，葉輪前方為收縮段，葉輪后方為擴(kuò)散段，然后將此裝置置于自然風(fēng)場中，同時保持葉輪前