强台风致风沙耦合运动及其对风力机气动力分布影响研究

针对现有土木工程领域台风理论模型过度简化的问题,首先引入基于非静力平衡欧拉方程模型的天气预报模式(WRF)对“鲇鱼”台风进行高时空分辨率模拟,并基于非线性最小二乘法拟合得到边界层风速剖面。同时,为系统对比台风与良态风场的差异性,设置与该台风风速剖面在规范A类地貌梯度高度处风速相同的良态风风速剖面,并分别集成至用户自定义函数(UDF程序)中作为小尺度CFD数值模拟入口条件。在此基础上,以中国东南沿海地区某风电场的5 MW水平轴风力机为研究对象,以风-沙双向耦合算法为核心,采用连续相和离散相模型(DPM)进行风场和沙粒组合的同步迭代模拟,对比研究台风和良态风作用对沙粒运动特征、结构表面等效压力分布模式和升阻力系数特性等的影响规律。结果表明:WRF模式可有效模拟近地面台风风场,拟合的“鲇鱼”台风剖面指数为0.091。与良态风相比,中尺度台风作用显著加剧了风力机结构表面三维气动力分布模式。相较于风荷载,沙荷载主要冲击塔架中下部迎风区域两侧各30°范围,沙荷载与风荷载比值达3.937%,沙压系数最大值为0.09。强台风与大粒径沙粒耦合冲击效应更显著,塔架阻力系数最大增幅可达9.80%,相较于良态风场塔架阻力系数极大值增大13.79%。