水平风的垂直风切变对风力机荷载影响的数值模拟研究

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中图分类号：O313；TM315 文献标志码：A

Numerical Simulation Study on the Influence of Vertical Wind Veering of Horizontal Wind on Wind Turbine Loads

Chen Jingui†Liu Xibin Cheng Shuangbao （Fuqing Haixia Power Generation Co.，Ltd.，Fuzhou 35o309，China）

Abstract As one of the renewable energy sources，wind power has gradually become one of the important supports for China to achieve the carbon peaking and carbon neutrality goals，and offshore wind turbine is often affected by extreme wind conditions such as typhoons. In this paper，the numerical simulation study on the influence of vertical wind veering of horizontal wind on wind turbine caused by typhoon is carried out. The computational fluid dynamics （CFD） model without wind veering and the model considering wind shear are established respectively. The simulation results show that the vertical wind shear in the horizontal wind not only causes asymmetry in the wake but also enhances the wake effects of the wind turbine. At the same time，wind vering has obvious influence on the base load of wind turbine， which leads to the increase or decrease of force and moment in all directions.

Key words wind turbine， wind veering， computational simulation， wind-turbine wake， base load

引言

风电作为可再生能源的核心主体之一，天然具有不可替代的禀赋优势和规模性优势.随着化石能源不断消耗以及近年来环保意识的增强，发展风能等可再生能源已成为当前工业发展的新趋势.伴随着我国“双碳”自标的提出，风电也成了助力我国碳达峰碳中和战略目标的重要支撑.

据中国气象局风能资源详查[1结果，我国 5～ 25m 水深线以内近海区域、海平面以上 50m 高度，风电可装机容量约 2×108kW .但发展海上风电仍面临着许多困难2.特别是受到全球变暖的影响，我国东南沿海的台风强度呈上升趋势.台风引起的强风、低空风切变对风力机的安全产生较大的威胁[3，4].

风切变指的是风矢量在水平或垂直方向的变化.风切变按风向可分为水平风的水平切变、水平风的垂直切变、垂直风的切变.风切变既包含了风速大小的变化，也包含了风向的转变[5].产生风切变的原因主要有两大类：一类是大气运动本身造成的变化，例如台风、下击暴流等；第二类是地形的影响.Shu等[通过多普勒风廓线雷达和地面气象站的长期观测，成功捕捉到水平风切变随地形条件、风速和风暴类型（如季风和台风）的变化特征.结果表明，在台风情况下风向沿垂直方向的变化可达 20∘

国内外针对风切变对结构的影响也开展了相应的研究.杨从新等基于CFD方法分析了风剪切留下的塔影效应对风力机叶片与风轮的气动荷载、空间流场的影响.郑金雨等[8则通过建立简化模型，对风切变和塔影效应开展分析，结果表明塔影效应和风切变对风力发电系统存在显著影响.侯亚丽等9采用LES模拟了有无风切变情况下的风力机尾流，结果表明在不同尾流区域风切变的影响程度不同.陈晓明和康顺[10]采用基于滑移网格技术的三维非定常CFD方法探讨了风切变以及偏航条件下水平轴风力机风轮的气动特性.白文彬通过多物理场的流固耦合分析了风切变下风力机的最大位移、应力及应变情况.此外，Lu和Li[]通过CFD模拟研究了风切变对超高层结构荷载的影响.

现有的研究大部分都是针对风速的切变开展的研究，对水平风的垂直风向切变对风力机的影响的研究还比较缺乏.因此本文将采用CFD技术分别建立了不考虑风切变影响的无风切变计算模型以及考虑风切变的有风切变模型；通过比较二者的风压分布情况、基底荷载等结果，研究台风引起的水平风的垂直风向切变对风力机的影响。（剩余7174字）