强台风致风沙耦合运动及其对风力机气动力分布影响研究

• 作者: 董依帆 柯世堂 朱容宽
• 来源期刊: 太阳能学报
• 关键词: 风力机 台风 气动荷载 WRF模式 中/小尺度耦合 风沙耦合运动
• 年，卷（期）: 2021,（7）
• 页码范围: 316-324
• 页数: 9页
• 分类号: TK83
• 语种: 中文
• DOI: 10.19912/j.0254-0096.tynxb.2019-0284

摘要

针对现有土木工程领域台风理论模型过度简化的问题,首先引入基于非静力平衡欧拉方程模型的天气预报模式(WRF)对"鲇鱼"台风进行高时空分辨率模拟,并基于非线性最小二乘法拟合得到边界层风速剖面.同时,为系统对比台风与良态风场的差异性,设置与该台风风速剖面在规范A类地貌梯度高度处风速相同的良态风风速剖面,并分别集成至用户自定义函数(UDF程序)中作为小尺度CFD数值模拟入口条件.在此基础上,以中国东南沿海地区某风电场的5 MW水平轴风力机为研究对象,以风-沙双向耦合算法为核心,采用连续相和离散相模型(DPM)进行风场和沙粒组合的同步迭代模拟,对比研究台风和良态风作用对沙粒运动特征、结构表面等效压力分布模式和升阻力系数特性等的影响规律.结果表明:WRF模式可有效模拟近地面台风风场,拟合的"鲇鱼"台风剖面指数为0.091.与良态风相比,中尺度台风作用显著加剧了风力机结构表面三维气动力分布模式.相较于风荷载,沙荷载主要冲击塔架中下部迎风区域两侧各30°范围,沙荷载与风荷载比值达3.937％,沙压系数最大值为0.09.强台风与大粒径沙粒耦合冲击效应更显著,塔架阻力系数最大增幅可达9.80％,相较于良态风场塔架阻力系数极大值增大13.79％.