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離岸風場風機跡流數值模擬

摘要"

本研究目的在建立描述風機三維紊流場的制動盤模型,然後藉由分析不同離岸風場中風機三維跡流場,獲得個別風機在不同風況下的功率輸出,並討論風機間的干涉特性。在數值風場模擬中使用制動盤模型的主要目的在於降低風機跡流場模擬所需巨量數值計算需求以及相對應模擬方法的複雜度,因此在離散風機流場計算空間時不使用風機的實體幾何外形,而利用等效物體力模型獲得風機轉子對於風機周圍流場的影響,也就是將三維轉子葉片在空間中的掃掠區域簡化為具備等效物體力的制動盤。這種做法不但能避免生成包覆於複雜幾何外形葉片外部網格的難題,亦不需使用移動網格方式模擬風機轉子的空間運動,僅需要生成卡氏網格系統,後將等效物體力適當地分佈於葉片轉子通過的空間網格內,因此能使用較為簡易的模擬方法進行流場模擬,達到有效縮短流場分析時間之目的。

關鍵詞:跡流、風機、離岸風場、數值模擬、制動盤模型、流場計算

前言

鑒於世界前二十名優良風場中即有16處位於台灣海峽[1],因此台灣離岸風電較陸域風電更具發展發展潛力的優勢。隨著民國105年10月竹南風場首批兩座4MW(百萬瓦)離岸風機 (Siemens SWT-4.0-120 )建置完成[2],我國的離岸風電產業已經掀起序幕。先前研究中,本研究團隊已分析額定條件下大型2MW水平軸風機葉片氣動力負荷特性,獲得葉片受力、葉片轉矩、葉片彎矩、葉片轉子轉矩與葉片方位角的關係[3,4],對於陣風條件下暫態風機流場行為模擬[5,6],以及緊急停機過程中風機氣動力特性分析[7]。接著本研究團隊使用雙向流固耦合方式,預測風機彈性與剛性葉片對於運轉狀態水平軸風機氣動力與噪音的影響[8-10],並應用於開發預兆式離岸風機營運維修系統[11,12]。另外台灣易受颱風侵襲,本團隊評估台灣地區颱風造成風力發電機倒塌之可能風險[13]及NREL 5MW風機於台灣彰濱外海地區極限風速下之氣動力負荷特性[14],並探討在颱風風況下大型水平軸風機Z72氣動力負荷特性的影響,獲得葉片轉矩、機艙平擺力矩、風機轉子轉矩與風向角、方位角的關係[15]。基於考量風機跡流效應是台灣離岸風場建置之關鍵課題之一,因此本團隊分析臺灣西海岸現役之2MW三葉水平軸風機周圍流場,預測前後排列之運轉兩風機氣動力負荷,以了解前方風機跡流對於後方風機氣動力的影響[16]。
惟現行以轉動風機葉片完整幾何外形的計算流體力學模型進行風機跡流模擬之模擬方法相當複雜,且必須耗費巨量數值計算時間與能量,故本文提出較為簡易的模擬方法進行風機跡流場模擬,達到在有效精度條件下得以有效縮短流場分析時間之目的。本研究目的在建立制動盤理論的計算流體力學模型,藉由分析離岸風場的三維風機間跡流干涉特性,獲得個別風機在不同風況下的功率輸出,得以進行目標風場內擬用不同風機選址方案的優劣評估。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。

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