風力機運行和顆粒流運動相互作用的力學特性:風能與沙塵環境之間的關係

2024年05月20日15:11:28 科學 5483

封面文章


《中國科學:物理學 力學 天文學》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蘭州理工大學李仁年教授團隊南方科技大學(投稿時為上海交通大學)李曄教授團隊的研究成果,文章題為:,同期出版了中國科學院院士鄭曉靜教授撰寫的點評文章:。


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內陸風電的發展

中國陸上風電項目的發展最早可以追溯到20世紀70年代初,在國家政策的支持下得到了快速發展[1]。據統計,我國可開發的陸上風資源高達253gw(基於10 m高度測量結果)[2]。到2010年,西北地區已經建立了大約160個不同規模的風電場,總裝機容量達到5000 mw[1]。隨着風電技術的不斷創新和進步,風力機逐步向大型化發展,風電場的規模不斷擴大[3]。到2023年,中國陸上風電裝機容量新增了58.2 gw,主要分佈在內蒙古、新疆、甘肅等地,其裝機容量佔比分別為33.47%、15.24%、11.34%[4]。然而,隨着可開發的平坦地形日益減少,風電選址逐漸轉移到沙漠、戈壁等複雜地形。這些地區蘊含的風能資源約佔全國陸上風資源的70%[5]

西部風沙現狀

我國西北地區氣候乾燥、降水稀少、植被覆蓋度低,存在大面積的沙漠,如巴丹吉林沙漠、塔克拉瑪干沙漠等,這種氣候條件使得我國西北地區常受沙塵暴的影響。長期以來,過度放牧等人類活動使得西北地區風沙災害日益嚴重,荒漠化程度也在不斷加劇。近年來,通過我國「三北」防護林工程等防沙固沙措施的實施,土地荒漠化等問題得到了極大改善。儘管如此,西北地區土地沙化面積大、程度深、治理難的基本面尚未根本改變。

風力機在風沙中的挑戰


如上所述,雖然資源豐富,但沙塵天氣和複雜地形的局部環流會對大氣邊界層的湍流特性產生影響,進而增加風力機輪轂高度處風速預測的難度[6]。一方面來說,風力機易受大氣和地形湍流的影響,其氣動性能表現出強非定常特徵,這對風力機氣動性能的準確預估產生一定的挑戰[7]。從另一方面來說,風力機運行對沙塵輸運的影響逐漸成為風能領域的研究熱點。風力機尾流是一種複雜的三維多尺度湍流,沙塵環境中風力機的運行涉及顆粒與湍流相互作用的兩相流問題,其中包括離散相顆粒的彌散行為和反之對流體相湍流的調製。然而,由於風力機尾流的複雜性,目前仍缺少系統的研究。因此,儘管風力機在風沙中的運行仍有一定的挑戰,但其運行也有望對風沙的環境治理有所益處。「十四五」期間是我國實現生態環境質量改善的關鍵時期,防沙治沙工作面領着嚴峻的挑戰,推進風能建設正在成為西北地區防沙治沙的重要戰略之一[8]

本文的發現

本文通過在大渦模擬中採用致動線模型施加體積力實現了風力機與沙塵流場的相互耦合,系統地分析了不同粒徑的沙塵顆粒在風力機尾流中的聚集和沉降等輸運特徵(圖1)。結果發現,風力機運行顯著改變了沙塵顆粒的運動軌跡(圖2),在風力機葉尖處形成了「環狀分佈」(圖3);同時,風力機對沙塵輸運具有明顯的阻礙作用,促使沙塵顆粒提前發生沉降。這預示着風電場的建設可能會對沙塵暴的防治產生積極影響。這個成果提供了風力機運行對阻沙降塵的關鍵證據,為進一步認識風沙災害的形成演化規律及抑制機理打下了基礎。同時,不僅對內陸風沙和風電的關係作出了貢獻,也對海上風電和鹽霧之間的關係提供了新的思路。

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圖1 總體建模

葉尖位置入射

風輪內部入射

圖2 顆粒軌跡

圖3 x/d=1截面處顆粒濃度分佈:(a) 10μm, (b) 50μm, (c) 100μm, (d) 150μm

本項目得到了國家重點研發項目2022yfb42021以及國家自然基金項目52166014以及52276197支持。

【參考文獻】

[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, 馬高生, 李曄等. 沙塵環境對風力機關鍵零部件力學特性影響綜述. 中國科學:物理學力學 天文學, 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, 鍾偉等. 風能利用中的空氣動力學研究進展: 入流和尾流特性. 空氣動力學學報, 2022, 40(4): 22-50.

[8]  馮起, 白光祖, 李宗省, 等.加快構建西北地區生態保護新格局.中國科學院院刊, 2022, 37(10): 1457-1470.

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