Tính dị hướng của tensor ứng suất Reynolds trong vùng râu của các cụm tuabin gió ở cấu trúc hình chữ nhật với cánh quạt xoay ngược chiều nhau

Physics of Fluids - Tập 27 Số 1 - 2015
Nicholas Hamilton1, Raúl Bayoán Cal1
1Portland State University , 1930 SW 4th Avenue, Portland, Oregon 97215, USA

Tóm tắt

Một cụm tuabin gió 4 × 3 được xây dựng trong một môi trường hầm gió với bốn cấu hình dựa trên hướng quay của các cánh quạt. Dòng thứ tư của các thiết bị được coi là ở trong tán tuabin phát triển hoàn toàn cho một cấu trúc hình chữ nhật. Các phép đo trường dòng đã được thực hiện bằng phương pháp đo tốc độ hình ảnh hạt đối xứng stereo ngay phía trên và phía dưới của các tuabin mô hình được chọn. Hướng quay của các cánh quạt tuabin được thể hiện rõ qua vận tốc trung bình theo chiều spanwise W và ứng suất cắt Reynolds −vw¯. Lưu lượng năng lượng động cho thấy có độ lớn lớn hơn sau các tuabin trong các cụm mà hướng quay của các cánh thay đổi. Các đặc trưng của tensor ứng suất Reynolds được chuẩn hóa (η và ξ) được vẽ trong tứ giác Lumley và cho thấy rằng những đặc điểm riêng biệt của độ nhiễu tồn tại trong các vùng râu theo sau nacelle và đầu cánh quạt. Phân rã riêng của tensor cho ra các thành phần chính và các biến đổi hệ tọa độ tương ứng. Các hình cầu đặc trưng đại diện cho sự cân bằng của các thành phần trong tensor dị hướng chuẩn hóa được dựng thành hình với các giá trị riêng cho hình dạng theo dự đoán của tứ giác Lumley. Việc quay hệ tọa độ được xác định bởi các véc tơ riêng cho thấy các xu hướng trong tọa độ theo dòng chảy theo sau các cánh quạt, đặc biệt là ở vị trí sau đỉnh cánh quạt và bên dưới trục. Hướng quay của các cánh quạt được thể hiện qua hướng của các hình cầu đặc trưng theo các trục chính. Trong dòng chảy của các tuabin hàng thoát nước, tensor ứng suất Reynolds chuẩn hóa cho thấy hiệu ứng tích lũy của các tuabin phía trên, có xu hướng đến hình dạng prolate cho hướng quay đồng nhất, hình cầu oblate cho tổ chức dòng chảy theo hướng quay, và một sự pha trộn của các hình dạng đặc trưng khi hướng quay thay đổi theo hàng. So sánh giữa các bất biến của tensor ứng suất Reynolds và các thành phần từ phương trình năng lượng cơ học trung bình cho thấy sự tương quan giữa mức độ dị hướng và các vùng của các râu tuabin gió nơi năng lượng động của độ nhiễu được sản xuất. Lưu lượng năng lượng động vào khu vực thiếu động lượng của râu từ phía trên tán liên quan đến các hình cầu đặc trưng prolate. Lưu lượng vượt lên trên vào vùng râu từ phía dưới khu vực cánh quạt liên quan đến các hình cầu đặc trưng oblate. Độ nhiễu trong vùng dòng chảy ngay sau nacelle của các tuabin gió thể hiện độ đồng nhất lớn hơn so với các vùng theo sau các cánh quạt. Công suất và hệ số công suất của các tuabin gió cho thấy rằng cấu trúc dòng chảy theo thứ tự độ lớn của khoảng cách cánh tuabin tăng cường hiệu suất tuabin tùy thuộc vào cấu hình cụm cụ thể.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

2010, Experimental study of the horizontally averaged flow structure in a model wind-turbine array boundary layer, J. Renewable Sustainable Energy, 2, 013106, 10.1063/1.3289735

2012, Statistical analysis of kinetic energy entrainment in a model wind turbine array boundary layer, J. Renewable Sustainable Energy, 4, 063105, 10.1063/1.4761921

2007, Modelling and measurements of wakes in large wind farms, J. Phys.: Conf. Ser., 75, 012049, 10.1088/1742-6596/75/1/012049

1999, Survey of modelling methods for wind turbine wakes and wind farms, Wind Energy, 2, 1, 10.1002/(SICI)1099-1824(199901/03)2:1%3C1::AID-WE16%3E3.0.CO;2-7

2006, Analytical modelling of wind speed deficit in large offshore wind farms, Wind Energy, 9, 39, 10.1002/we.189

2009, Aerodynamics of wind turbine wakes

2012, Optimal turbine spacing in fully developed wind-farm boundary layers, Wind Energy, 15, 305, 10.1002/we.469

2013, A numerical study of the effects of wind direction on turbine wakes and power losses in a large wind farm, Energies, 6, 5297, 10.3390/en6105297

2014, Large eddy simulation studies of the effects of alignment and wind farm length, J. Renewable Sustainable Energy, 6, 023105, 10.1063/1.4869568

2009, The making of a second-generation wind farm efficiency model complex, Wind Energy, 12, 445, 10.1002/we.351

2012, Turbulent flow and scalar transport through and over aligned and staggered wind farms, Journal Turbul., 13, N33, 10.1080/14685248.2012.709635

2003, Review of aerodynamics for wind turbines, Wind Energy, 6, 203, 10.1002/we.97

2010, Large eddy simulation study of fully developed wind-turbine array boundary layers, Phys. Fluids, 22, 015110, 10.1063/1.3291077

1984, Numerical simulation of turbulent flows, Annu. Rev. Fluid Mech., 16, 99, 10.1146/annurev.fl.16.010184.000531

1951, Statistical theory of nonhomogeneous turbulence. ii, Z. Physik, 131, 547, 10.1007/BF01330059

2005, Anisotropy of turbulence in wind turbine wakes, J. Wind Eng. Ind. Aerodyn., 93, 797, 10.1016/j.jweia.2005.08.001

2005, Turbulent stress invariant analysis: Clarification of existing terminology, Phys. Fluids, 17, 088103, 10.1063/1.2009008

2014, Near-wake characteristics of a model horizontal axis tidal stream turbine, Renewable Energy, 63, 222, 10.1016/j.renene.2013.09.011

2001, The return to isotropy of homogeneous turbulence, J. Fluid Mech., 436, 59, 10.1017/S002211200100386X

1982, Local isotropy and anisotropy in a high-reynolds-number turbulent boundary layer, J. Fluid Mech., 125, 475, 10.1017/S0022112082003450

2002, Reynolds stress anisotropy of turbulent rough wall layers, Exp. Fluids, 33, 31, 10.1007/s00348-002-0466-z

2004, Structure of turbulent channel flow with square bars on one wall, Int. J. Heat Fluid Flow, 25, 384, 10.1016/j.ijheatfluidflow.2004.02.022

2000, Anisotropy of turbulence in stably stratified mixing layers, Phys. Fluids, 12, 1343, 10.1063/1.870386

2007, Advances in large-eddy simulation of a wind turbine wake, J. Phys.: Conf. Ser., 75, 012041, 10.1088/1742-6596/75/1/012041

1996, An experimental study of the two-staged wind turbines, Renewable Energy, 9, 909, 10.1016/0960-1481(96)88427-8

2005, Aerodynamic performance prediction of a 30kW counter-rotating wind turbine system, Renewable Energy, 30, 631, 10.1016/j.renene.2004.07.005

2012, Effects of design parameters on aerodynamic performance of a counter-rotating wind turbine, Renewable Energy, 42, 140, 10.1016/j.renene.2011.08.046

2007, Analysis of counter-rotating wind turbines, J Phys.: Conf. Ser., 75, 012003

2014, An experimental study on the effects of relative rotation direction on the wake interferences among tandem wind turbines, Sci. China: Phys., Mech. Astron., 57, 935, 10.1007/s11433-014-5429-x

2010, Direct mechanical torque sensor for model wind turbines, Meas. Sci. Technol., 21, 105206, 10.1088/0957-0233/21/10/105206

Wind turbine boundary layer arrays for cartesian and staggered configurations: Part II, low-dimensional representations via the proper orthogonal decomposition, Wind Energy, 10.1002/we.1719

1971, Theory of invariants, Continuum Phys., 1, 239

2006, Representing attitude: Euler angles, unit quaternions, and rotation vectors, Matrix, 58, 15

2009, A wind-tunnel investigation of wind-turbine wakes: Boundary-layer turbulence effects, Boundary Layer Metrol., 132, 129, 10.1007/s10546-009-9380-8

Wind turbine boundary layer arrays for Cartesian and staggered configurations: Part I flow field and power measurements, Wind Energy, 10.1002/we.1697

2012, Reynolds number dependence of turbulence statistics in the wake of wind turbines, Wind Energy, 15, 733, 10.1002/we.501

Thông tin
Thông tin xuất bản

Physics of Fluids

Tập 27 Số 1

Thông tin tác giả