運用IEC模型與限制性隨機模擬探討陣風效應及風速擾動對於5MW風力機暫態負載及性能之影響

Abstract

本研究運用IEC模型以及限制性隨機模擬兩種陣風模型，探討陣風效應以及風速擾動等兩種效應，然後將其定義為風速變化趨勢以及紊流強度兩種陣風特性參數，分別取兩種不同的數值做為限制性隨機模擬法的參數，產生四組NewGust的暫態速度分佈，再加上IEC國際規範的陣風模型，總共五組暫態速度分佈做為入口流速進行暫態CFD模擬計算。 從模擬結果的分析中發現在不同暫態速度分佈之下，風機的轉子推力、扭矩以及機械?率大致上與入口風速呈正相關；而在風速達到最大值的時間點，IEC gust的轉子推力和扭矩皆比NewGust還大，而在固定風速變化趨勢急遽、紊流強度改變的情況下比較NewGust時，可看出在陣風變化趨勢急遽之下，紊流強度提高能提升轉子推力以及扭矩；在陣風的風速變化趨勢平緩時，紊流強度增加會造成轉子推力及扭矩降低。不同陣風模型的暫態速度分佈在20 125秒及20 25秒(風速最大值)時，由壓力係數可看出葉片上30%、60%、90%比例位置的翼剖面上表面部分均無發生邊界層狀態的改變；速度急遽上升的暫態效應將造成翼剖面負壓力係數突然下降非常多。而由時間平均的升力係數與阻力係數可發現Ten為65%的NewGust的平均升力係數皆為最大，而Ten為17%的NewGust的平均升力係數則皆為最小；提高紊流強度後，可發現平均阻力係數均提高。陣風對於機艙及塔架的暫態負載方向影響比葉片還大，此負載方向不斷改變的狀態將使機艙與塔架產生比穩定風速更大的疲勞損壞可能性。在流線下游處0 5DR和1DR長度位置的風速分佈在風機轉子所在高度的風速降低(Velocity deficit)較高；到流線下游處2DR長度位置之後，風速降低現象已經愈來愈低。在流線下游處1DR~1 5DR長度位置，出現平均紊流強度變化梯度的最大值，即尾流的渦流結構在此區域中崩潰(Breakdown)，因此可推斷風機位置至流線下游處1DR長度位置為近尾流(Near wake)，而流線下游處1 5DR長度位置之後則是遠尾流(Far wake)。

Date of Award	2014 Jul 25
Original language	Chinese
Supervisor	Jen-Fin Lin (Supervisor)