龙卷风风场及其对风力机叶片荷载影响的数值模拟

• 作 者: 郭宁
• 机 构: 华北电力大学
• 出 处: 华北电力大学(保定) 华北电力大学
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 龙卷风涡旋 风场特性 涡流比 平移 表面粗糙度 风力机

龙卷风是一种剧烈旋转的地区性小尺度大气涡流，其突发性强，生消迅速，风速通常可达每秒几十米到一百米以上，破坏力极大。我国建筑规范和标准中，尚未包含龙卷风的设计要求，一旦诸如风电场之类的重要建筑遭遇龙卷风，则会造成严重的人身和财产损失。因此，深入研究龙卷风风场的结构特征至关重要，并能够为进一步研究龙卷风对建筑结构物的荷载影响提供指导和依据。本文在Ward龙卷风模拟系统的基础上做了部分改进，利用Fluent对不同涡流比（0.2、0.42、0.64、1.0及2.0）下类龙卷风三维涡的流场特性进行了数值模拟，由于龙卷风涡旋的径向速度和竖向速度相对于切向速度很小，因此本文着重从龙卷风切向速度和静压分布出发，对比了不同涡流比下的风场特性，并与传统的Rankine涡理论模型进行了对比，验证了数值模拟结果的准确性。此外，为使类龙卷风模拟结果更接近实际，将风场附加平移运动并给定地表面粗糙度，进一步讨论了其对流场结构的影响。结果表明，相对于静止龙卷风涡，在低涡流比时，平移使得切向速度和静压损系数均降低，随涡流比增大，降低幅度逐渐减小，直至和静止涡趋于一致。粗糙度的引入降低了地面处的最大切向速度，其结果类似于减小涡流比的效果。此外，将风力机加载到龙卷风风场中，研究了龙卷风风场作用下，风力机停止转动并顺桨时的风压分布特征，分析了风力机表面风压分布的不均匀性，对风敏感地带的位置进行了探讨，并比较了风力机处在风场不同位置时对其表面风压的影响特征。