1、流體力學報告電力系統中的流體力學 曹東宇 20141292我國目前的電力系統情況：（1）隨著我國國民經濟的快速持續增長,特別是高耗能行業的高速增長,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）電網間由于不能有效的聯網也加劇了電力供需的不平衡。尤其是在經濟相對發達的東南沿海地區,電力供應緊張的形勢更加嚴峻。（3）從我國的電力工業結構可以看到, “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”,就是為了協調發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,中國非常需要發展新能源和可再生能源來解決電力的緊張。 流體力學橫空出世了！這樣說：流體力學與電力系統簡直簡直是緊密相聯的！發電方式：1.第一火力發電 (NO.1)2.水力發電 (NO.2) 3.風力發電 (NO.3)4.核電廠5.地熱能發電 6.潮汐能發電7.生物質能發電 風力發電：風電技術經過20年的開發日臻成熟, 其運行可靠性和發電成本接近常規火電,迅速發展成為初具規模的新興產業。目前我國的風電裝機總量年趨增加，發展態勢良好。風力發電機設計：1.風力發電機由機頭、轉體、尾翼、葉片組成。葉片用來

3、接受風力并通過機頭轉為電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉體能使機頭靈活地轉動以實現尾翼調整方向的功能；機頭里裝有轉子，轉子是永磁體，定子繞組切割磁力線產生電能。2.現代風輪設計一般采用新翼形設計, 除按照傳統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械強度外, 新翼形和傳統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, 并減少尖部葉片弦長, 以控制轉子尖部的負荷。而在中部采用較高的升力系數, 并增加葉片弦長，以達到中等風速時的最佳風輪性能。這樣的設計可使風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的風速區,大型風

4、力發電機的功率輸出可達到額定值。超過此風速區,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荷和整個風機受到的沖擊,保證風機不受損害。當前普遍采用的限制功率輸出方式有以下三種:a.失速調節方式, 依賴于葉片獨特的翼型結構,一般用于恒速運行的風力發電機中。在大風時,流過葉片背風面的氣流產生紊流,降低葉片氣動效率,影響能量捕獲,產生失速。b.變距調節方式,是通過改變葉片迎風面與縱向旋轉軸的夾角,從而影響葉片的升力和阻力,限制大風時風機輸出功率的增加, 優點是,當風速達到一定值時,失速型風機必須停機,而變距型風機可以逐步變化到一個槳葉無負載的全翼展模式位置,避免停機,增加風

5、機發電量。變距調節的缺點是對陣風反應要求靈敏。c.主動失速混合失速調節,這種調節方式是前兩種功率調節方式的組合，充分吸取了被動失速和槳距調節的優點，槳葉采用失速特性，調節系統采用變槳距調節。湍流風場：風力發電機的原理涉及空氣動力學、結構力學、材料力學等等，它們的相互作用會隨著風力發電機組單機容量的增大變得更加顯著。故系統動力學特性必須通過建立湍流風場模型來分析。瑞流風譜一般用一個標準的平穩隨機過程來描述，釆用功率譜密度函數描述瑞流能量在頻域內的分布，當前的瑞流風速譜大部分都是經驗公式，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）的波數譜。模擬了完整的同性中

6、性層大氣邊界層瑞流的結構，嚴格滿足質量守恒定律和N-S方程。經過實踐反復認證后，模型逐漸為業內所認可。 但其對于湍流中的風切變仍然不能很好的解釋！湍流風場的難題風切變： 對風力發電有影響嗎？ 當然有！風力發電機組運行時，由于受到來流風切變、偏航等不穩定氣流因素影響，使得風輪在多數情況下處于非穩態的運行環境，風速值在整個葉片旋轉掃掠面上是處處不同的，從而導致風電機組運行過程中產生非恒定的轉矩，這不僅會引發風力機機械結構（葉片、塔架等）的振動，同時還將影響輸出功率的質量，劇烈的風切變甚至可能導致風力機強烈振動，使得風力發電機組故障停機。所以，對于大型的風力發電機組，風切變的影響不容忽視！什么是風切

7、變？風切變是一種大氣現象，是指大氣中不同兩點之間的風速或風向的劇烈變化，風切變按風向可分為：水平風切變、垂直風切變。垂直風切變：指垂直于地表方向上風速或風向隨高度的劇烈變化，水平風切變：則指與地面平行的方向上風向的急速轉變；形成：生風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、環境因素所造成的，有時是兩者綜合而成（風切變可以出現在高空，也可以出現在低空。出現在600米以下的叫低空風切變）。 所以風力發電機的風切變問題也是低空風切變的一種。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 處的風速（m/s）； 為風切變指數。在平

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

9、 1.自然界的風，在垂直面內是有一定風速梯度的，呈現指數分布規律。風力機的葉片在垂直面旋轉時迎風風速是不同的，這就造成葉片在上下兩個位置的尖速比不同，從而造成風力機周期性震動和電能質量下降。 2.常規的處理方法就是加大葉片的強度，采用變槳距控制，這些都是被動解決問題的方法。濃縮風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速，降低風切變帶來的危害。濃縮風能裝置的作用是整流流場，使具有一定風速梯度的來流風變為風速梯度小的來流風，從而降低由于風速梯度帶來的危害。由流體力學知識可知，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，附面層發生分離，出現旋渦而產生紊流。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(靜壓與前方來流動壓之比)分布規律。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分布規律，橫軸表示圓周方向的角度，縱軸表示靜壓系數。圖中實線為理論靜壓系數分布曲線，虛線是雷諾數Re為8.4106 時的實驗所得的靜壓系數分布曲線。由 (c)可知，在流場中從圓柱體正前方0到兩側30以內，靜壓系數為正值；在30以外靜壓系數為負值；在70附近靜壓系數的負值最低。根據貝努利方程（z1+p1/?+v12/2g=z2+p2/ ? +v22/2g）可得，壓力系數由正值變為負值時流速就會增加。根據圖（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分布特性的理論與實驗特性曲線，形成了濃縮風能裝置的基本構想。能否讓裝置產生負壓值來利用呢？設想在圓柱體形狀的裝置中間，從0向180方向開設一條流道，流道的中段是均勻的圓筒形通路且安裝特種葉輪和發電機，葉輪前方為收縮段，葉輪后方為擴散段，然后將此裝置置于自然風場中，同時保持葉輪前