涡轮机在不稳定进流条件下的发电增强和上游流动特性
摘要：复杂流环境中的能量获取系统，如浮动式离岸风力涡轮机、潮汐涡轮机以及受轴向阵风影响的地面固定涡轮机，会遭遇不稳定的顺流条件，影响其发电和结构负荷。在某些情况下，观察到了较稳定流操作点上方的平均功率增加现象。为了表征这些动态特性，推导了一个非线性动力学模型，用于周期性冲击涡轮机的转速和功率提取，并将其与涡轮机上游感应区域的两个势流表示相连接。模型预测了涡轮机的平均功率提取和上游流速和压力，并与在直径基准雷诺数为$Re\_D = 6.3 imes10^5$、冲击速度振幅高达风速24\%的风洞中进行的冲击涡轮装置实验数据进行了比较。这种结合建模方法能够捕捉到平均功率提取的趋势和上游流量的波动，同时只依赖于稳态流测量数据。还建立了观察到的平均功率增加与稳态流涡轮特性之间的敏感性，从而阐明了这些增强可能发生的条件。最后，还在理论上探讨了非稳定流体力学对平均功率提取的影响。理论框架和实验验证提供了一个统一的建模方法，可以推动在非稳定流环境中涡轮机的设计、控制和优化，以及开发能利用非稳定流增加大容量发电能力的新型能量获取系统的过程。
作者：Nathaniel J. Wei and John O. Dabiri
论文ID：2210.14466
分类：Fluid Dynamics
分类简称：physics.flu-dyn
提交时间：2023-07-19