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系統識別號 U0002-1003201013260200
中文論文名稱 計算流體力學應用於風力發電機結構受風可行性研究
英文論文名稱 A study of applications of CFD for the wind turbine structures affected by wind
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 98
學期 1
出版年 99
研究生中文姓名 劉宗憲
研究生英文姓名 Tzung-Shian Liou
學號 696380608
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-01-18
論文頁數 86頁
口試委員 指導教授-張正興
委員-商能洲
委員-吳重成
中文關鍵字 計算流體力學  風力發電機  動態網格  滑動網格 
英文關鍵字 CFD  Wind turbine  Dynamics similarity  Wind tunnel test  Full scale 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究主要是在探討計算流體力學(CFD)軟體應用於風力發電機結構受風影響的可行性。以相同的邊界條件下,比較風力發電機縮尺模型,在數值模擬和風洞試驗中所得的基底剪力和彎矩。藉此找出一套較適合的參數設定,預測實場的狀況。在進行風洞試驗時,因為相似性無法達到實場的情況,所以無法將風力發電機模型受風影響的結果用來預測實場。而且在實場量測時,也面臨諸多的問題和困難。因此將風洞試驗裡的邊界條件,套用到數值模擬的設定中,將兩者以相同條件下得到的結果互相比較。經過反覆測試後,將模擬值與試驗值的誤差降至最低。再將此套數值模擬的參數設定,依照相似性的原理縮放,模擬實際尺寸的風力發電機,以便對實場的預測。

本研究在數值模擬中,透過不同的紊流模式,以滑動網格技術和動態網格技術進行模擬和探討。雖然文獻提到,滑動網格技術可應用在物體旋轉的模擬中,但其模擬的方式是利用分界面上,網格節點與節點之間的連結,進行數值的交互傳遞。而動態網格技術模擬的方式,是透過網格隨著物體移動的情形,進而將計算域整體的網格進行改變或重繪。所以吾人認為利用動態網格技術模擬,更能表現實際狀況。

結果顯示,利用動態網格技術和滑動網格技術的模擬下,動態網格技術所得到的數據較為趨近於試驗值。而在紊流模式為k-epsilon RNG model,使用動態網格技術模擬得到的結果中,My的誤差值較大,約為76.5%。但是在Fx的誤差值較小,約為1.08%。由此可知,以數值模擬分析風力發電機受力的情形,使用動態網格技術會比滑動網格技術更為理想。而實場預測的部份,將模擬的結果以相似性的原理縮小,最後再和縮尺模擬的結果比較。可以得到,Fx的誤差約為15%,而My的誤差約為13.5%。
英文摘要 This study investigated the structure behaviors of the wind turbine affected by the wind by using computational fluid dynamics (CFD) software. The base shear stress and moment of the wind turbine was compared for both results of numerical simulation and wind tunnel test with the same setting. Considering the dynamics similarity between the wind tunnel test and the field measurement, the wind tunnel test preformed with lower rotating speed of the wind turbine than the full scale wind turbine. If a realizable CFD model can be established for predicting the dynamic behaviors of the wind turbine. That will be very helpful for structure designer to get more information about the dynamic behaviors of the wind turbine during design and planning stage of the project.

Both of numerical models of the dynamic mesh and sliding mesh were selected for simulations. The results showed that the dynamic mesh model was better than sliding mesh model by comparing to the wind tunnel test results. In the case of the k-epsilon RNG turbulence model, the prediction of the bending moment affecting by acrosswind was more than 50%, and the prediction of the force affecting by acrosswind was less than 5%. The both simulation results of the small scale and full scale wind turbine obtained by CFD model. Comparisons of result showed that the error of Fx was about 15% and My was about 13.5%.
論文目次 目錄
目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 VII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 1
1-3 研究方法 2
1-4 研究內容 2
1-5 論文架構 3
第二章 文獻回顧與理論背景 5
2-1 風力發電機 5
2-1-1 大氣邊界層之風洞模擬 10
2-1-2 風洞試驗之阻塞效應 13
2-1-3 力平衡儀 14
2-1-4 紊流特性 14
2-1-5 氣動力現象 16
2-1-6 相似性 18
2-2 計算流體力學 22
2-2-1 計算流體力學之介紹 22
2-2-2 計算流體力學之方程式的建立 24
2-2-3 數值方法的介紹 25
2-2-4 紊流模式的介紹 28
2-2-5 邊界條件之介紹 31
第三章 風洞試驗與數值模擬 34
3-1 風洞試驗 34
3-2 邊界層之模擬 34
3-3 風速的量測 35
3-4 風力發電機之縮尺模型 37
3-5 風力的量測 37
3-6 試驗數據之採樣 41
3-7 轉速的率定 42
3-8 數值模擬 43
3-9 動態網格(Dynamic mesh)和滑動網格(Sliding mesh) 44
3-10 氣彈力影響下的數值模擬 45
3-11 數值模擬的步驟 47
3-12 擷取數據的方法 51
第四章 試驗與模擬結果之討論 53
4-1 風洞試驗的數據分析 53
4-1-1 風洞試驗的流場 53
4-1-2 風力發電機縮尺模型的轉速率定 54
4-1-3 風力發電機縮尺模型的基底受力情形 55
4-2 數值模擬的數據分析 56
4-2-1 靜態模擬 56
4-2-2 動態模擬(滑動網格和動態網格) 57
第五章 結論與建議 62
5-1 結論 62
5-1-1 風洞試驗的討論 62
5-1-2 數值模擬的討論 63
5-2 建議 66
參考文獻 68
圖目錄
圖2-2-5 滑動網格分界面的示意圖 32
圖3-1 淡江大學大氣邊界層一號風洞試驗室 70
圖3-3-1 訊號放大器和壓力轉換器 71
圖3-3-2 熱膜探針、定溫流速儀和率定裝置 71
圖3-3-3 熱膜探針的架設位置 72
圖3-4 風力發電之縮尺模形 72
圖3-5a 力平衡儀系統 73
圖3-5b 力平衡儀試驗的示意圖(一) 38
圖3-5c 力平衡儀試驗的示意圖(二) 39
圖3-5d 力平衡儀試驗的示意圖(三) 39
圖3-5e 力平衡儀試驗的示意圖(四) 40
圖3-5f 力平衡儀試驗的示意圖(五) 40
圖3-5g 力平衡儀試驗的示意圖(六) 41
圖3-7a 雷射位儀器 73
圖3-7b DPO-2014數位電子示波器 74
圖3-7c 雷射位儀器架設位置 74
圖3-9-1 動態網格示意圖 75
圖3-9-2 滑動網格示意圖 75
圖3-11-1 風力發電機模型 76
圖3-11-2 計算域的大小 76
圖3-11-3 轉子體積的示意圖 77
圖3-11-4 Visual Studio 2005的命令提示字元 77
圖3-11-5 壓力等高線分布圖 78
圖3-11-6 路徑線圖 78
圖3-11-7 速度向量圖 79
圖3-12-1 Visual Studio 2005-journal的製作程式 79
圖3-12-2 MATLAB-力量歷時的分析程式 80
圖4-1-1 空風洞之風速剖面和紊流強度 80
圖4-1-2a 扇葉風攻角示意圖 81
圖4-1-2b 轉速波形 81
圖4-2-1b 風扇不轉動的試驗值和模擬值(二) 57
圖4-2-2g 數值模擬-扇葉轉動的數據比較(二) 59
圖4-2-2b RNG k-epsilon model滑動網格的力量歷時 82
圖4-2-2c LES model滑動網格的力量歷時 83
圖4-2-2e RNG k-epsilon model動態網格的力量歷時 84
圖4-2-2i 實場預測的力量歷時 85
圖5-1-2a 圓柱轉動之模擬示意圖 86
表目錄
表2-1-1a 地表粗糙度 12
表2-1-1b 邊界層高度 13
表4-1-3a 風力發電機風扇固定的試驗數據 55
表4-1-3b 風力發電機風扇轉動的試驗數據 55
表4-2-1a 風扇不轉動的試驗值和模擬值(一) 56
表4-2-2a 滑動網格技術-風力發電機扇葉轉動的數據 58
表4-2-2d 動態網格技術-風力發電機扇葉轉動的數據 58
表4-2-2f 數值模擬-扇葉轉動的數據比較(一) 59
表4-2-2h 實場預測的數據 61
表5-1-2b 圓柱模擬的數據 64
表5-1-2c 圓柱和風力發電機的數據 65




參考文獻 參考文獻
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18. 陳政豪,"利用類神經網路預測不同幾何造型建築物在干擾效應下之設計風載重",淡江大學土木工程研究所碩士論文 (2009)
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