风力机工作在非稳态的运行环境中,风况条件是风力机外部运行环境的关键因素之一,通常分为正常风况和极端风况[1-2].极端风况主要用于确定作用在风力机上的极端载荷,国际电工学会(IEC)[3]的IEC 61400-1标准和德国劳埃德船级社(GL)[4]的GL准则提出了六种极端风况模型.其中,极端运行阵风是基于轮毂高度处的环境条件建立的,表现为风速的急剧增大又在短时间内急剧下降,这使风轮的气动载荷发生波动变化,危害风力机的运行安全和使用寿命.因此,极端阵风条件下风力机的气动特性研究对风场的选址和风力机的设计都有重要意义.

在护理带教中，实习生分层次管理模式可显著提高教学质量，促使带教工作整体化、规范化、系统化发展，明确责任，在很大程度上提高了实习生综合能力及业务水平，促使其熟练掌握相关理论知识及实践操作[2-5]。

Bierbooms[5-6]对极端运行阵风的生成方法进行了研究,并在风力机极端负载的计算上得到运用.Cheng等[7]通过对3 MW海上风力机的模拟,得到了一种确定极端载荷的方法,实现更高效的风力机结构设计.孙凯[8]采用流固耦合模型分析了多种极端风况下的尾迹特性.王业昊[9]研究发现叶片的振动随阵风的变化有一定的周期性,应力集中位于叶片表面展向中部,并对提高叶片的稳定性提出建议.本文利用非定常求解方式,研究极端阵风对1.5 MW水平轴风力机风轮气动性能的影响.

1 极端运行阵风模型(EOG)

极端运行阵风模型可以在已知轮毂高度、轮毂高度处风速、风轮直径、风切变指数、正常安全等级和湍流类型的条件下,模拟指定高度处1年或50年重复周期内的极端运行阵风风速变化[10].

1) 对于标准风机等级,应通过以下关系式计算轮毂高度处N年重现期的阵风量：

vgust,N=βσ1B

(1)

式中：vgust，N为极端运行阵风的风速,m/s,预计N年出现一次；σ1为轮毂高度处的纵向风速标准差,m/s；B为尺寸缩减系数,β=4.8,N=1；β=6.4,N=50.

连续性方程：

σ1=I15(15+avhub)(a+1)

(2)

式中：I15=0.18,较高湍流强度值的类别；I15=0.16,较低湍流强度值的类别；a=2,较高湍流强度值的类别；a=3,较低湍流强度值的类别；vhub为轮毂处风速,m/s.

3) 考虑确定性影响中的结构尺寸和风速连续性时,应定义尺寸缩减系数:

 

(3)

式中：D为转子直径,m;Λ1为湍流尺度参数，应按照以下公式提供：

 

(4)

其中：zhub为轮毂高度,m.

动量方程：

 

(5)

式中：为幂指数(通常取0.2)；t1=10.5 s,N=1；t1=15.0 s,N=50.

2 数值计算方法

2.1 几何模型及网格划分

本文采用某1.5 MW水平轴风力机为研究对象,风轮直径83 m,轮毂高度65 m,转速17.2 r/min,叶片截面翼型为NH02XX.本文利用风轮120°旋转对称性,选取其三分之一的圆柱区作为计算域,并在对称边界设置周期性边界条件,三维几何模型如图1所示.

  

图1 计算模型Fig.1 Calculation model

LBL+CBL组为带教教师先行全体授课，讲解EUS构造、使用以及操作手法(约1 h)，之后进行分组典型病例讨论，最后统一授课讲解病例特点及点评(约2 h)。

2.2 数值模型

本文以Fluent作为求解器通过求解N-S方程进行数值模拟,其表达式为

玉敏像炸鞭似的，噼里啪啦炸了一串，把许沁炸醒了，抿着嘴半天没开口。玉敏说许姐，这事的来龙去脉已经很清楚了，只要我们配合，把事情圆满解决了，不但你我能成朋友，你和我姑父之间也不会弄僵，他肯定能理解你，因为你要钻戒最终是还给我的。

2) 轮毂高度处的纵向风速部件的标准偏差特征值：

各风况条件下叶片翼型截面压差从叶根到叶尖逐渐增大.对于同一截面,均匀来流时不同时刻各翼型表面的压差基本保持稳定,而极端运行阵风条件下压差随着风速的减小而减小(增大而增大).风速不断增加时叶片附近流动开始出现不同程度的分离,当风速增至最大值时,叶片失速严重,吸力面上发生大面积流动分离.

 

(6)

4) 极端运行阵风模型公式：

 

 

(7)

式中：ρ为空气密度；t为时间；ui为平均流速；p为压力；μeff为有效黏性系数；ui′为脉动速度；i,j=1,2,3,表示直角坐标系中的三个坐标分量.

此外,湍流模型采用k-w SST模型,离散格式采用二阶迎风格式,速度和压力耦合方式为SIMPLEC.

2.3 边界条件

考虑到风轮转速为17.2 r/min,则时间步长设定为叶片转过3°所需要的时间,即Δt=0.029 069 77 s,每个时间步长的最大迭代次数为20次.以y轴作为旋转域的旋转轴,叶片壁面采用无滑移壁面条件,出口为压力出口,操作压力为默认值101 325 Pa.流场中只考虑空气的单相流动,忽略重力条件的影响.选取较高湍流强度值的类别,即I15=0.18、a=2.均匀来流工况时入口和圆柱曲面取额定风速10.4 m/s的入流风速；极端运行阵风工况时入口和圆柱曲面通过UDF给定阵风入流风速,取轮毂风速为10.4 m/s,风速-时程曲线如图2所示.

  

图2 极端运行阵风风速-时程曲线 Fig.2 Wind speed time-history curve of extreme operating gusts

3 结果与分析

3.1 风轮转矩

图5分别是均匀来流、1年一遇和50年一遇阵风条件下部分时刻叶片吸力面的极限流线.因为均匀来流以及阵风开始、结束阶段的风速相近,所以此时极限流线与截面流线分布较为相似,流动基本是附着流,仅有叶根处流动有小部分分离.而极端运行阵风影响时,在低速来流阶段各截面攻角较小,叶片表面边界层未分离,流动基本为附着流,并且随着风速的减小,流动越平稳,当风速减至最小值时,叶根处的流动分离区域也达到最小；在高速来流阶段各截面攻角较大,叶片表面边界层开始分离,流动出现分离流,并且随着风速的增大,分离更加明显,当风速增至最大值时叶片上流动分离区域也达到最大.由于靠近叶根部分截面的攻角较大,近叶根处的截面绕流存在很大的分离涡.靠近叶尖部分的截面的攻角较小,近叶尖处的截面漩涡区域较小[11].

  

图3 极端运行阵风转矩随时间变化的曲线Fig.3 Variation curve of torque with time under extreme operating gusts

均匀来流时转矩随时间的变化很小,基本保持在270 kN·m左右,模拟得到的额定风速下风轮的转矩可以求出风轮输出功率,与设计功率作对比即可验证数值计算结果的准确性.结果表明:在额定风速10.4 m/s的均匀来流条件下,计算得到的风轮输出功率为1.458 MW,与设计值1.5 MW相近,所以数值计算结果较为准确可信；极端运行阵风时,风速随时间发生变化,转矩也随之变化：1年一遇在t=0～4.85 s(50年一遇在t=0～6.54 s)阶段风速较低,叶片未失速或处于失速初期,因此转矩与风速变化规律基本一致；而在t=4.85～5.26 s(50年一遇在t=6.54～7.01 s)阶段风速持续增大,叶片失速较严重,转矩随着风速的增大开始不断减小,即转矩最大值较风速最大值的出现有所提前.特别是50年一遇阵风最大风速值较高,所以在此阶段转矩的波动也大于1年一遇阵风；随后在t=5.26～6.27 s(50年一遇在t=7.01～8.55 s)阶段风速不断减小,叶片附近流动从失速状态向附着流变化,转矩也开始逐渐变减小,但其变化规律与风速变化仍有一定区别；之后到阵风结束这阶段内风速较低,转矩的波动曲线又恢复至与风速相似.

3.2 压力分布

选取叶片沿展向35%、65%、95%三个截面,得到均匀来流、1年一遇和50年一遇阵风条件下表1各时刻的压力曲线,如图4所示.

 

表1 阵风阶段特定时刻

 

Tab.1 Specific moments during gust period s

  

阵风周期1年一遇50年一遇阵风开始00风速最小2．470933．43020风速最大5．232566．97674阵风结束10．5000014．00000

不过，现行的水权交易市场是一种规制市场，仍有待于改进的空间。一方面，在规制市场中，人们参与市场的主要目的是为了降低环境规制成本——借助规制市场提供的灵活性降低守法成本，环境保护仅仅是规制市场的副产品；另一方面，在规制市场下，政府基于维护公共利益的需要仍会采取动态管理措施，比如当某一河流因为干旱出现生态环境用水需求无法满足的情形时，政府通常会采取措施限制用水者已获得的取水许可总量。规制市场所呈现的这些弊端，可以通过创设自然市场来进行。

3.3 极限流线与截面流线

风轮的转矩能够反映叶片各截面载荷沿叶展方向积分的总体载荷特性.图3是风轮分别在均匀来流、1年一遇的极端运行阵风(以下简称为1年一遇)、50年一遇的极端运行阵风(以下简称为50年一遇)条件下转矩随时间的变化曲线.

李碧华曾说：“说得玄一点，对于三十年代，我有一种‘来过了’的感觉，所以特别熟悉……”也许正是因为李碧华对三十年代的特殊感触，才使得整个文本都具备旧日的气息。同时，作者又借助现代气息浓厚的语言、事物如邵氏影业、香港小姐选美比赛、地铁、传呼机甚至是广播中播放的《卡门》音乐等来消解这种传统气息。整个文本在过去与现在之间来回穿梭，在传统与现实之间“摇摆不定”。

  

图4 叶片各截面压力Fig.4 Pressure at several blade sections

  

图5 不同时刻吸力面极限流线

Fig.5 Limiting streamline over blade suction surface atdifferent instant

图6给出沿展向35%、65%、95%截面在1年一遇及50年一遇阵风条件下部分时刻流线分布图.

计算区域分为旋转域和静止的外域,旋转域采用非结构网格,外域采用结构化网格.为了获得更准确的模拟结果,对叶片近壁面的边界层网格进行加密处理,首层网格高度为0.2,增长率为1.3,网格层数为7,最终得到的计算网格总数约为900万.

当前随着时代的发展，我国招标代理行业也面临着各方面的改革，同时也积累了越来越多的弊端，存在的问题也越来越显著。因而招标代理行业需要顺应时代发展潮流，推进电子招标投标的发展，加强人才培养，构建一个公平、公正的招标环境，推进招标代理行业的发展。

3.4 法向力、切向力系数分布

图7和图8是风轮叶片沿展向35%、65%、95%三个截面在均匀来流、1年一遇和50年一遇阵风条件下法向力、切向力系数曲线.各工况叶片翼型截面法向力、切向力系数均从叶根到叶尖逐渐减小.

均匀来流时各时刻系数变化不大；极端运行阵风时叶片表面流动状态时刻发生改变,但各截面法向力、切向力系数都有基本相同的变化规律：1年一遇时在t=0～4.65 s(50年一遇时在t=0～5.81 s)较低风速阶段法向力、切向力系数随时间变化趋势与风速曲线一致；在t=4.65～5.85 s(50年一遇时在t=5.81～8.19 s)较高风速阶段风速先增大后减小,法向力、切向力系数却急剧减小,同转矩一样也发生了最大值提前的现象；在t=5.85～7.27 s(50年一遇时在t=8.19～9.45 s)阶段风速持续减小,但法向力、切向力系数却并没有像风速曲线以t=5.25 s(50年一遇时以t=7 s)为对称轴呈轴对称曲线,其不对称性主要体现在各系数的振荡下降；之后到阵风结束,这阶段内法向力、切向力系数随时间变化趋势开始恢复至与风速曲线相似.

培训工作需要解决的问题还很多，还有漫长的路要走，在实际工作中要不断拓宽教育培训思路，创新教育培训形式，着力提高农民用水户协会发展质量，使其真正自主管理、自主经营，巩固农田水利基本建设成果，提升农业综合生产能力，确保水利事业持续健康快速发展。

  

图6 不同时刻叶片各截面流线Fig.6 Streamlines over several blade sections at different instant

  

图7 叶片各截面法向力系数Fig.7 Normal force coefficient at several blade sections

  

图8 叶片各截面切向力系数Fig.8 Tangential force coefficient at several blade sections

结合图6发现1年一遇时在t=4.65～7.27 s(50年一遇时在t=5.81～9.45 s)这段时间内法向力、切向力系数曲线与风速变化的规律不同,出现不规则波动,主要因为风速较高时绕流出现分离,来流不断加速使叶片失速严重,同时后缘处形成分离涡,于是法向力、切向力系数急剧减小.随后来流减速,分离流动逐渐减弱,分离涡也在叶片表面脱落,流动重新从前缘开始附着,并逐渐扩展至整个叶片表面,转变为附着流,法向力、切向力系数开始恢复.在分离流恢复为附着流的过程中流动具有较强的不稳定性,致使气动载荷系数也出现不规律波动.此外,叶根处较叶尖处的流动分离更剧烈,其气动载荷系数曲线波动也更明显.50年一遇阵风的最大速度大于1年一遇阵风,叶片失速更严重,法向力、切向力系数下降速度也更快.

4 结论

1) 阵风条件下风力机的转矩与法向力、切向力系数随风速的动态变化而改变,但变化周期与风速变化周期略有不同,其最大值较风速最大值提前出现.

2) 一年一遇阵风在t=4.65～7.27 s(50年一遇时在t=5.81～9.45 s)内的较高风速段叶片发生失速,出现流动分离,转矩与法向力、切向力系数随风速增大而减小.来流减速阶段分离流动减弱,并逐渐重新恢复为附着流,各系数也逐渐恢复,分离流向附着流转变过程中流动的不稳定较强,致使法向力、切向力系数的减小过程出现不规则的波动变化.

参考文献：

[1] 王 芳.水平轴风力机三维非定常气动特性计算研究 [D].南京:南京航空航天大学,2008.

[2] 中国机械工业联合会.风力发电机组设计要求 JB/T 10300—2001 [S].北京:机械科学研究院,2001.

[3] International Electrotechnical Commission.Wind turbines,part 1:design requirements IEC 61400-1 [S].Geneva:International Electrotechnical Commission,2005.

[4] Germanischer Lloyd.Guideline for the certification of wind turbines GL 2010 [S].Hamburg:Germanischer Lloyd,2010.

[5] BIERBOOMS W.Constrained stochastic simulation-generation of time series around some specific event in a normal process [J].Extremes,2006,8(3):207-224.

[6] BIERBOOMS W.Modelling of gusts for the determination of extreme loads of pitch regulated wind turbines [J].Wind Engineering,2009,28(3):291-303.

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[8] 孙 凯.大型风力发电机组流固耦合尾迹特性分析 [D].上海:上海电力学院,2014.

[9] 王业昊.恶劣环境下大型风力机叶片稳定性问题研究 [D].南京:南京航空航天大学,2014.

[10] 李 媛,毛 竹.风力发电机组载荷计算中的极端风况分析 [J].沈阳工业大学学报,2008,30(4):409-413.

[11] 张玉良,李仁年,杨从新.水平轴风力机的设计与流场特性数值预测 [J].兰州理工大学学报,2007,33(2):54-57.