【格林大家談】第12期 "湍流"那些事兒

　　在風(fēng)電業(yè)內(nèi)，湍流是個(gè)神奇的概念，經(jīng)常出現(xiàn)在諸如風(fēng)機(jī)齒輪箱損壞，葉片開(kāi)裂，基礎(chǔ)開(kāi)縫，發(fā)電量不達(dá)標(biāo)的分析報(bào)告中。可這個(gè)神乎其神的湍流到底是什么呢？
　　百科中的標(biāo)準(zhǔn)答案解釋，湍流又稱紊流，指的是流體的非均勻流動(dòng)。
　　湍流的復(fù)雜，使得它幾乎不可能用任何數(shù)學(xué)方法準(zhǔn)確描述，在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家們先后發(fā)明了渦粘性和混合長(zhǎng)度理論、能量級(jí)串理論、流動(dòng)穩(wěn)定性理論等等理論來(lái)對(duì)它進(jìn)行說(shuō)明和解釋，但始終沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流的完全模擬，它也因而成為流體力學(xué)的世紀(jì)難題。
　　風(fēng)機(jī)安全性和實(shí)際性能表現(xiàn)是風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)尤為關(guān)注的，卻不得不時(shí)時(shí)刻刻和湍流這個(gè)大家伙斗智斗勇。本期小編將和大家一起了解下什么是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)湍流等級(jí)及湍流對(duì)風(fēng)機(jī)安全性和發(fā)電量的影響。
　　什么是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)湍流的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
　　前面已經(jīng)說(shuō)了，很難用數(shù)學(xué)方法準(zhǔn)確描述湍流，那么風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)是如何界定湍流的呢？專家們想到了萬(wàn)能的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，根據(jù)IEC61400（由IEC制定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系列標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定，湍流強(qiáng)度（turbulence intensity，簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)I）是指10分鐘內(nèi)風(fēng)速隨機(jī)變化幅度大小，是10分鐘平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與同期平均風(fēng)速的比率，是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中承受的正常疲勞載荷，是IEC61400-1風(fēng)機(jī)安全等級(jí)分級(jí)的重要參數(shù)之一。
　　湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè),一個(gè)是當(dāng)氣流流動(dòng)時(shí),氣流會(huì)受到地面粗糙度的摩擦或者阻滯作用，另一個(gè)原因是由于空氣密度差異和大氣溫度差異引起的氣流垂直運(yùn)動(dòng)。通常情況下，上述兩個(gè)原因往往同時(shí)導(dǎo)致湍流的發(fā)生。在中性大氣中，空氣會(huì)隨著自身的上升而發(fā)生絕熱冷卻，并與周?chē)h(huán)境溫度達(dá)到熱平衡，因此在中性大氣中，湍流強(qiáng)度大小完全取決于地表粗糙度情況。
　　最新的IEC61400對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全等級(jí)分類表如下： 　　注：Vref=風(fēng)電場(chǎng)50年一遇的10分鐘最大風(fēng)速；Iref=15m/s時(shí)的湍流強(qiáng)度的平均值；A=高湍流強(qiáng)度等級(jí)，B=中等湍流等級(jí)，C=低等湍流強(qiáng)度。
　　湍流對(duì)風(fēng)機(jī)安全性的影響
　　風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)可循，可是大自然的風(fēng)卻并不那么懂規(guī)矩，我們就需要在根據(jù)特定風(fēng)場(chǎng)的湍流條件來(lái)選擇風(fēng)機(jī)。
　　在風(fēng)場(chǎng)湍流水平超過(guò)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)水平的情況下，按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制造出來(lái)的風(fēng)機(jī)就很難達(dá)到預(yù)期壽命，原本設(shè)計(jì)壽命20年的風(fēng)機(jī)，在10年甚至8年的時(shí)候，葉根、主軸、機(jī)艙底板等結(jié)構(gòu)件就可能因?yàn)殚L(zhǎng)期疲勞超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致的損壞，這樣風(fēng)電場(chǎng)收益將難以實(shí)現(xiàn)。
　　那么湍流超標(biāo)的情況下，風(fēng)機(jī)是否就一定不能適用呢？考慮到風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)一般高于現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)況指標(biāo)，通常可以在經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)提出做載荷仿真以確認(rèn)安全性的需求。比如設(shè)計(jì)年均風(fēng)速為8m/s，湍流為A類的風(fēng)機(jī)。當(dāng)某風(fēng)機(jī)位湍流0.162，但年平均風(fēng)速只有7m/s的情況下，我們就可以嘗試將機(jī)位處的參數(shù)加入到風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的模型中，通過(guò)仿真，來(lái)判斷風(fēng)機(jī)是否能夠滿足這種風(fēng)場(chǎng)條件下的安全性要求。如果可以滿足，那么這款風(fēng)機(jī)就可以適用于該風(fēng)電場(chǎng)。 　　歸根結(jié)底，大家最在意的還是咱們風(fēng)場(chǎng)能發(fā)多少“真金白銀”。但說(shuō)到湍流對(duì)風(fēng)場(chǎng)實(shí)際發(fā)電量的影響，不得不首先提到靜態(tài)功率曲線和動(dòng)態(tài)功率曲線。
　　目前行業(yè)內(nèi)很多場(chǎng)合下，在評(píng)估發(fā)電量的時(shí)候所使用的功率曲線仍然為“靜態(tài)功率曲線”，這是非常不科學(xué)的，因?yàn)殪o態(tài)功率曲線是假設(shè)環(huán)境湍流為0的情況下繪制出來(lái)的理想條件功率曲線，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中是不可能存在的，這會(huì)造成對(duì)發(fā)電量評(píng)估的嚴(yán)重高估。科學(xué)的方法應(yīng)該是根據(jù)評(píng)估場(chǎng)址的實(shí)際環(huán)境湍流，采用與之相應(yīng)的“動(dòng)態(tài)功率曲線”，為評(píng)估電量提供更明確和真實(shí)的參考。