风力机运行和颗粒流运动相互作用的力学特性:风能与沙尘环境之间的关系

2024年05月20日15:11:28 科学 5483

封面文章


《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版(science china physics, mechanics & astronomy, scpma)2024年第4期以封面文章的形式出版了兰州理工大学李仁年教授团队南方科技大学(投稿时为上海交通大学)李晔教授团队的研究成果,文章题为:,同期出版了中国科学院院士郑晓静教授撰写的点评文章:。


风力机运行和颗粒流运动相互作用的力学特性:风能与沙尘环境之间的关系 - 天天要闻

内陆风电的发展

中国陆上风电项目的发展最早可以追溯到20世纪70年代初,在国家政策的支持下得到了快速发展[1]。据统计,我国可开发的陆上风资源高达253gw(基于10 m高度测量结果)[2]。到2010年,西北地区已经建立了大约160个不同规模的风电场,总装机容量达到5000 mw[1]。随着风电技术的不断创新和进步,风力机逐步向大型化发展,风电场的规模不断扩大[3]。到2023年,中国陆上风电装机容量新增了58.2 gw,主要分布在内蒙古、新疆、甘肃等地,其装机容量占比分别为33.47%、15.24%、11.34%[4]。然而,随着可开发的平坦地形日益减少,风电选址逐渐转移到沙漠、戈壁等复杂地形。这些地区蕴含的风能资源约占全国陆上风资源的70%[5]

西部风沙现状

我国西北地区气候干燥、降水稀少、植被覆盖度低,存在大面积的沙漠,如巴丹吉林沙漠、塔克拉玛干沙漠等,这种气候条件使得我国西北地区常受沙尘暴的影响。长期以来,过度放牧等人类活动使得西北地区风沙灾害日益严重,荒漠化程度也在不断加剧。近年来,通过我国“三北”防护林工程等防沙固沙措施的实施,土地荒漠化等问题得到了极大改善。尽管如此,西北地区土地沙化面积大、程度深、治理难的基本面尚未根本改变。

风力机在风沙中的挑战


如上所述,虽然资源丰富,但沙尘天气和复杂地形的局部环流会对大气边界层的湍流特性产生影响,进而增加风力机轮毂高度处风速预测的难度[6]。一方面来说,风力机易受大气和地形湍流的影响,其气动性能表现出强非定常特征,这对风力机气动性能的准确预估产生一定的挑战[7]。从另一方面来说,风力机运行对沙尘输运的影响逐渐成为风能领域的研究热点。风力机尾流是一种复杂的三维多尺度湍流,沙尘环境中风力机的运行涉及颗粒与湍流相互作用的两相流问题,其中包括离散相颗粒的弥散行为和反之对流体相湍流的调制。然而,由于风力机尾流的复杂性,目前仍缺少系统的研究。因此,尽管风力机在风沙中的运行仍有一定的挑战,但其运行也有望对风沙的环境治理有所益处。“十四五”期间是我国实现生态环境质量改善的关键时期,防沙治沙工作面领着严峻的挑战,推进风能建设正在成为西北地区防沙治沙的重要战略之一[8]

本文的发现

本文通过在大涡模拟中采用致动线模型施加体积力实现了风力机与沙尘流场的相互耦合,系统地分析了不同粒径的沙尘颗粒在风力机尾流中的聚集和沉降等输运特征(图1)。结果发现,风力机运行显著改变了沙尘颗粒的运动轨迹(图2),在风力机叶尖处形成了“环状分布”(图3);同时,风力机对沙尘输运具有明显的阻碍作用,促使沙尘颗粒提前发生沉降。这预示着风电场的建设可能会对沙尘暴的防治产生积极影响。这个成果提供了风力机运行对阻沙降尘的关键证据,为进一步认识风沙灾害的形成演化规律及抑制机理打下了基础。同时,不仅对内陆风沙和风电的关系作出了贡献,也对海上风电和盐雾之间的关系提供了新的思路。

风力机运行和颗粒流运动相互作用的力学特性:风能与沙尘环境之间的关系 - 天天要闻

图1 总体建模

叶尖位置入射

风轮内部入射

图2 颗粒轨迹

图3 x/d=1截面处颗粒浓度分布:(a) 10μm, (b) 50μm, (c) 100μm, (d) 150μm

本项目得到了国家重点研发项目2022yfb42021以及国家自然基金项目52166014以及52276197支持。

【参考文献】

[1]  han j, mol a p j, lu y, et al. onshore wind power development in china: challenges behind a successful story[j]. energy policy, 2009, 37(8): 2941-2951.

[2]  yang z. the third nationwide assessment of wind resources. annual report of chinese academy of meteorological sciences (1), 2004, 49.

[3]  kirkegaard j k, rudolph d p, nyborg s, et al. tackling grand challenges in wind energy through a socio-technical perspective. nature energy, 2023, 8(7): 655-664.

[4]  gwec.gwec global wind report 2023[r]. bonn, germany. 2023

[5]  梁恩培, 马高生, 李晔等. 沙尘环境对风力机关键零部件力学特性影响综述. 中国科学:物理学力学 天文学, 2023, 53(3): 234701.

[6]   liu b, ma x, guo j, et al. estimating hub-height wind speed based on a machine learning algorithm: implications for wind energy assessment. atmospheric chemistry and physics, 2023, 23(5): 3181-3193.

[7]  王同光, 田琳琳, 钟伟等. 风能利用中的空气动力学研究进展: 入流和尾流特性. 空气动力学学报, 2022, 40(4): 22-50.

[8]  冯起, 白光祖, 李宗省, 等.加快构建西北地区生态保护新格局.中国科学院院刊, 2022, 37(10): 1457-1470.

科学分类资讯推荐

迈向高端的新材料|从原材料到新材料,看山西转型升级之路 - 天天要闻

迈向高端的新材料|从原材料到新材料,看山西转型升级之路

新华社太原6月27日电(记者王劲玉)普通的玉米淀粉“摇身一变”,成为储能利器超级电容炭;随处可见的石灰石在科技的加持下成为纳米碳酸钙;坚硬的钢铁可以像纸张一样轻薄,徒手可撕开。在转型发展大潮中,传统原材料通过技术革新、应用创新,成为高端新材料,为高质量发展注入新动能。新材料产业是国民经济战略性、基础性...
美国宇航局指示SpaceX在时机成熟时击落国际空间站 - 天天要闻

美国宇航局指示SpaceX在时机成熟时击落国际空间站

据美国宇航局称,SpaceX被指示从轨道上为国际空间站制造一艘拖船。为此,该公司将获得8.43亿美元,这还不包括拖船的准备和发射费用。但一切都不会早于商业轨道站准备就绪,这可能晚于 2030 年。图片来源:NASA根据各种声明,俄罗斯最早可
月壤归来!外媒:中国再显太空实力 - 天天要闻

月壤归来!外媒:中国再显太空实力

嫦娥六号返回器25日携带月壤顺利着陆,实现人类历史首次月球背面采样返回持续引发外媒的广泛关注。  《纽约时报》刊文称,中国成为首个从月球背面取回样品的国家。嫦娥六号任务的样品可能蕴藏着月球和地球起源的线索,是中国探月工程的最新成果。  《纽约时报》报道截图  报道指出,此次任务携带的样品是由中国国家航...
大熊猫“鑫宝”和“云川”启程了 - 天天要闻

大熊猫“鑫宝”和“云川”启程了

今年2月,中国野生动物保护协会与美国圣迭戈动物园野生动植物联盟签署了新一轮大熊猫国际保护合作研究协议。中美双方经过充分准备,今天,来自中国大熊猫保护研究中心的两只大熊猫“鑫宝”“云川”启程前往圣迭戈动物园,开启为期10年的旅居生活,延续双方
托底腾飞、5米坠落!领克07 EM-P完成行业首次极限挑战 - 天天要闻

托底腾飞、5米坠落!领克07 EM-P完成行业首次极限挑战

快科技6月27日消息,据领克汽车官方发布,近日,领克07 EM-P完成行业首次托底后高空坠落挑战。据悉,此次领克07EM-P携手中汽信科,根据真实场景设置超高难度挑战,先托底,后腾飞,再坠落,挑战时速50km/h正面应对托底测试、挑战行业首次托底+翻滚双重测试。托底:车速50km/h剐蹭底盘通过直径为150mm的刚性半球形壁障,领克...
【生物多样性看甘孜】四川甘孜州石渠县记录到幼年金雕捕食画面 - 天天要闻

【生物多样性看甘孜】四川甘孜州石渠县记录到幼年金雕捕食画面

近日,四川长沙贡玛国家级自然保护区工作人员和西华师范大学生物多样性与生态适应研究团队在四川甘孜藏族自治州石渠县开展生物多样性调查时,拍摄到一只金雕亚成体的捕食活动画面。画面中,一只金雕在旱獭、鼠兔的洞口耐心等候,一动不动地观察着猎物的活动,一旦有身体肥硕滚圆、肉质细嫩的猎物从洞口跑出来,就会立刻出击...