流体力学报告

流体力学报告电力系统中的流体力学—曹东宇20141292我国目前的电力系统情况：（1）随着我国国民经济的快速持续增长,特别是高耗能行业的高速增长,带动了对能源需求的全面高涨,特别是对电力需求的快速增长,这种局面造成了我国电力供需紧张。（2）电网间由于不能有效的联网也加剧了电力供需的不平衡。尤其是在经济相对发达的东南沿海地区,电力供应紧张的形势更加严峻。（3）从我国的电力工业结构可以看到,“北煤西水”是中国电力布局的基本格局。煤电占65.3%,水电占23%,风电仅仅占7%。多少年来,中国一直在搞“北煤南运”和“西电东输”,就是为了协调发电和用电的布局矛盾。（4）我国烟尘和二氧化硫的排放量其中70%和80%分别来自煤的燃烧，我国也被国际社会批评没有采取有效措施以减少温室气体的排放，因此,中国非常需要发展新能源和可再生能源来解决电力的紧张。流体力学横空出世了！！！！！！！这样说：流体力学与电力系统简直简直是紧密相联的！！！！！！！！发电方式：1.第一火力发电(NO.1)2.水力发电(NO.2)3.风力发电(NO.3)4.核电厂5.地热能发电6.潮汐能发电7.生物质能发电风力发电：风电技术经过20年的开发日臻成熟,其运行可靠性和发电成本接近常规火电,迅速发展成为初具规模的新兴产业。目前我国的风电装机总量年趋增加，发展态势良好。风力发电机设计：1.风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头里装有转子，转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。2.现代风轮设计一般采用新翼形设计,除按照传统要求在尖部采用薄翼型以满足高升阻力、根部采用厚翼型满足机械强度外,新翼形和传统的航空翼形有较大差别:一般在叶轮尖部采用较低的最大升力系数,并减少尖部叶片弦长,以控制转子尖部的负荷。而在中部采用较高的升力系数,并增加叶片弦长，以达到中等风速时的最佳风轮性能。这样的设计可使风轮年平均的能量输出大大增加。限制功率输出方式：一般来说,在12-16m/s的风速区,大型风力发电机的功率输出可达到额定值。超过此风速区,必须降低叶轮的能量捕获,使功率输出保持在额定容量附近,同时减少叶片承受负荷和整个风机受到的冲击,保证风机不受损害。当前普遍采用的限制功率输出方式有以下三种:a.失速调节方式,依赖于叶片独特的翼型结构,一般用于恒速运行的风力发电机中。在大风时,流过叶片背风面的气流产生紊流,降低叶片气动效率,影响能量捕获,产生失速。b.变距调节方式,是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角,从而影响叶片的升力和阻力,限制大风时风机输出功率的增加,优点是,当风速达到一定值时,失速型风机必须停机,而变距型风机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展模式位置,避免停机,增加风机发电量。变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。c.主动失速混合失速调节,这种调节方式是前两种功率调节方式的组合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。湍流风场：风力发电机的原理涉及空气动力学、结构力学、材料力学等等，它们的相互作用会随着风力发电机组单机容量的增大变得更加显著。故系统动力学特性必须通过建立湍流风场模型来分析。瑞流风谱一般用一个标准的平稳随机过程来描述，釆用功率谱密度函数描述瑞流能量在频域内的分布，当前的瑞流风速谱大部分都是经验公式，Mann于1994年提出了基于线性N-S方程（粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程）的波数谱。模拟了完整的同性中性层大气边界层瑞流的结构，严格满足质量守恒定律和N-S方程。经过实践反复认证后，模型逐渐为业内所认可。但其对于湍流中的风切变仍然不能很好的解释！湍流风场的难题—风切变：对风力发电有影响吗？当然有！风力发电机组运行时，由于受到来流风切变、偏航等不稳定气流因素影响，使得风轮在多数情况下处于非稳态的运行环境，风速值在整个叶片旋转扫掠面上是处处不同的，从而导致风电机组运行过程中产生非恒定的转矩，这不仅会引发风力机机械结构（叶片、塔架等）的振动，同时还将影响输出功率的质量，剧烈的风切变甚至可能导致风力机强烈振动，使得风力发电机组故障停机。所以，对于大型的风力发电机组，风切变的影响不容忽视！！！什么是风切变？风切变是一种大气现象，是指大气中不同两点之间的风速或风向的剧烈变化，风切变按风向可分为：水平风切变、垂直风切变。垂直风切变：指垂直于地表方向上风速或风向随高度的剧烈变化，水平风切变：则指与地面平行的方向上风向的急速转变；形成：生风切变的原因主要有两大类，一类是大气运动本身的变化所造成的；另一类则是地理、环境因素所造成的，有时是两者综合而成（风切变可以出现在高空，也可以出现在低空。出现在600米以下的叫低空风切变）。所以风力发电机的风切变问题也是低空风切变的一种。测量：1、模糊计算：z1，z2为垂直高度（m）；v1，v2分别为垂直高度z1，z2处的风速（m/s）；α为风切变指数。在平坦开阔的地形中推算风速的廓线时，风切变指数的初值通常取0.143，称为1/7幂律。2、精确计算：通过CFD确定边界条件，建立数据库分析计算。流体力学中的风电前沿：风力发电机经过多年的研究和发展，开发了不少新型风力发电机。新型风力发电机型式多样，有漂浮式风力发电机，升降式风力发电机，四螺旋风力机等等。我中意的一种机型：浓缩风能型发电机组浓缩风能型发电机组是在不消耗其他能源的情况下，将稀薄的风能经浓缩风能装置加速、整流和均匀化后驱动叶轮旋转发电，从而提高了风能的能流密度。通过对风能整流浓缩，使气流平均动能提高到来流风能的2.57倍，同时可以降低自然风的湍流度，提升风能的品位。到底是怎样的？1.自然界的风，在垂直面内是有一定风速梯度的，呈现指数分布规律。风力机的叶片在垂直面旋转时迎风风速是不同的，这就造成叶片在上下两个位置的尖速比不同，从而造成风力机周期性震动和电能质量下降。2.常规的处理方法就是加大叶片的强度，采用变桨距控制，这些都是被动解决问题的方法。浓缩风能装置可以主动解决这一问题使叶片受到相对均匀的来流风速，降低风切变带来的危害。浓缩风能装置的作用是整流流场，使具有一定风速梯度的来流风变为风速梯度小的来流风，从而降低由于风速梯度带来的危害。由流体力学知识可知，平行来流的实际流体横向流过表面光滑的圆柱体，其流场状况如下图所示。从图（a）可知，流场状况不同于理想流体流场情况，实际流体在圆柱体后半部分，流体处于减速增压区，附面层发生分离，出现旋涡而产生紊流。图(b)表示出在实际流场中表面光滑的圆柱体周围360°方向的静压系数(静压与前方来流动压之比)分布规律。图(c)表示出在流场中表面光滑的圆柱体的理论与实验所得的静压系数分布规律，横轴表示圆周方向的角度，纵轴表示静压系数。图中实线为理论静压系数分布曲线，虚线是雷诺数Re为8.4×10^6时的实验所得的静压系数分布曲线。由(c)可知，在流场中从圆柱体正前方0°到两侧30°以内，静压系数为正值；在30°以外静压系数为负值；在70°附近静压系数的负值最低。根据贝努利方程（z1+p1/ϒ+v1^2/2g=z2+p2/ϒ+v2^2/2g）可得，压力系数由正值变为负值时流速就会增加。根据图（c）所示的在实际流场中的表面光滑的圆柱体周围的静压系数分布特性的理论与实验特性曲线，形成了浓缩风能装置的基本构想。能否让装置产生负压值来利用呢？设想在圆柱体形状的装置中间，从0°向180°方向开设一条流道，流道的中段是均匀的圆筒形通路且安装特种叶轮和发电机，叶轮前方为收缩段，叶轮后方为扩散段，然后将此装置置于自然风场中，同时保持叶轮前方正对准自然风的来流方向，则根据在实际流场中的表面光滑的圆柱体周围的静压系数分布特性可推断，当自然风通过此圆柱体形状的装置时，该装置的与来流方向夹角30°范围内将形成正压，夹角30°以外的侧面与后方将形成负压，这一过程不消耗任何能源，且能使通过叶轮的自然风被加速，使自然风的动能增大，实现了浓缩风能的目的。经过CFD数值模拟、风洞试验谢谢！！！