基于工程尾流模型的风电场发电量评估

基于WAsP-Park1、WAsP-Park2、Park-Gauss和Bastankhah这4种工程尾流模型,对比了风电场中单一风向下风电机组的风速差异,并分析了工程尾流模型、尾流衰减因子、尾流速度亏损叠加方法、邻近风电场等因素对风电场发电量计算结果的影响。研究结果表明:1)同一风电场中,单一风向下,Park-Gauss模型计算得到的风电机组尾流速度亏损最大,WAsP-Park2模型的次之,WAsP-Park1模型的较小,Bastankhah模型的最小。2)不考虑邻近风电场的影响时,WAsP-Park1模型和WAsP-Park2模型计算得到的目标风电场的尾流损失基本一致;但考虑邻近风电场的影响时,WAsP-Park2模型的计算结果比WAsP-Park1模型的计算结果增大约3%~5%。同一工况下,与WAsP-Park1模型的计算结果相比,Park-Gauss模型的计算结果约为其1.5倍,Bastankhah模型的计算结果约为其0.4倍。3)对任意工程尾流模型而言,同一工况下,尾流衰减因子越小,目标风电场的尾流损失越大;尾流衰减因子每减小0.01,计算得到的目标风电场尾流损失的增幅基本在10%以上。4)当考虑邻近风电场的影响时,对于目标风电场的尾流损失而言,直接求和法的计算结果最大,平方和开根号法的次之,最大值法的最小。因此,对风电场进行发电量评估时,要综合考虑邻近风电场、尾流衰减因子及尾流速度亏损叠加方法的影响。

漂浮式海上风力机三维尾流模型研究

针对漂浮式海上风电机组接地系统所处的深海环境及特殊的系泊系统,综合考虑纵荡运动对入流风速和尾流区域膨胀的影响,基于二维BP工程尾流模型,提出一种三维尾流模型(3Dksg_BP),将该模型用于全尾流区域横向和垂向风速剖面的预测。预测结果与风洞实验数据对比发现,下游1.7D、2.3D、5.0D和10.0D(D为风轮直径)等位置的预测精度均不低于97.6%。基于3Dksg_BP,研究不同频率和振幅下的纵荡运动对尾流造成的影响,结果表明:纵荡运动对尾迹的影响随频率和振幅的增大而增大,且随着下游距离的增加,纵荡运动对尾迹的影响逐渐减小。

基于动量理论的风力机三维工程全尾流模型研究

为综合研究风力机尾流特性,将尾流区域分为近尾流区域和远尾流区域,并考虑风切变效应引起的风速差对尾流速度的影响,提出一种基于动量理论的三维工程全尾流模型(3DFM)。与风场实测数据对比,3DFM模型的近尾流区预测精度高达95.82%,远尾流区预测精度高达95.00%,验证了模型的有效性和准确性。根据来流风不同大气稳定状态修正尾流膨胀系数和风切变系数,详细研究大气稳定状态对尾流速度分布和恢复的影响。研究结果表明大气层越稳定,风切变系数越高,下游相同位置处的尾流区域面积越大,尾流速度恢复得越慢。

基于等效粗糙度模型的风电场尾流数值模拟方法

随着风电场规模的扩大和密度的增加,风电场整场的尾流效应也日益显著且备受关注。准确评估风电场尾流效应对于风电场的建设和开发具有重要的意义,但目前仍缺乏同时兼顾计算精度和效率的尾流计算方法。本文基于OpenFOAM平台中的雷诺时均方法,实现了风电场等效粗糙度模型和雷诺平均方法的嵌套。结果表明,该方法相较于工程中常用的Jensen尾流模型和尾流叠加模型,计算精度得到了大幅的提高,且因为其对于风电场建模简单,所需计算资源较少,是用在大型风电场的一种工程应用价值较高的下游尾流计算方法。

考虑迟延的风电场模型预测尾流优化控制

降低风电场出力波动性有利于促进电网友好运行,而尾流优化控制是降低整场出力波动的重要措施。现有尾流优化控制大都基于稳态模型,却忽略尾流动态迟延特性。但尾流迟延在风速不确定性基础上会进一步增加风电场出力的波动性。为此,该文基于稳态尾流模型辅以迟延计算,构建风电场准稳态尾流模型以同时兼顾尾流干涉作用与动态迟延特性。在此基础上,提出一种考虑迟延的模型预测平稳控制方法(predictive control considering delay,MPC-D),以指令跟踪与功率波动最小为目标协调各机组出力。最后,在WFSim上构建含33台机组的风电场仿真模型,并基于此分析尾流迟延对风电机组以及整场运行性能影响。结果表明,所建准稳态尾流模型能同时模拟尾流速度损失、机组功率迟延和整场功率阶梯变化等特性。并且由MPC-D所得整场出力较基于稳态模型的控制方法平均相对误差、均方根误差以及滑动均方根误差均得到改善,同时能防止机组桨距角频繁动作。

基于鲸鱼优化算法的串列风力机主动尾流控制策略

主动尾流控制技术通过协调风电场中每台风力机的运行状态,降低上游机组尾流对下游机组的负面影响,进而提高整场发电功率。为探究尾流控制的规律,以10台串列排布的风力机为研究对象,采用Jensen尾流模型与平方和叠加模型计算尾流速度分布,通过鲸鱼优化算法(whale optimization algorithm,WOA)优化风力机的轴向诱导因子分布,并与粒子群优化算法(particle swarm optimization algorithm,PSO)对比。研究结果显示:WOA优化效果更好,收敛速度更快,使风电场输出功率提高了5.63%~42.76%;轴向诱导因子的分布规律和风电场输出功率的优化效果受入流风速影响较小,受风力机的数量及流向间距影响较大。

主动偏航尾流控制研究成果综述

基于偏航尾流模型、偏航尾流特性及主动偏航尾流控制(Active Yaw Control, AYC)对风场的影响三个角度,调研了主动偏航控制技术最近几年来的研究进展,并针对目前研究的一些局限性以及AYC的工程应用实践性作出展望。调研结果显示:偏航会改变风机的尾流特性,主要表现在尾流的风速分布和偏航尾流偏置量上;整体来看上游风机主动偏航能提升整场发电量,但同时也会改变风机的载荷;目前国内外常用的几个偏航尾流模型中,Bastankhah模型和Qian-Ishihara模型与实测数据的匹配性较好,具有很高的工程实践性。同时,在后续偏航尾流研究中,应基于风场实际数据对偏航尾流特性和模型进行验证与分析。

湍流风况下风电机组机舱近尾流的数值模拟研究

水平轴风电机组机舱风速是机组控制的主要信号参数。机舱风速受风电机组来流湍流与风电机组近尾流影响,变化复杂,对风电机组的优化控制有重要的影响。本文采用计算流体力学(CFD)方法,对湍流风况下风电机组机舱近尾流进行了详细分析。对比研究了稳态均匀风况和湍流风况下的近尾流的结构、机舱速度分布及其对风电机组总体性能的影响。研究发现,风电机组总体性能随湍流风况波动也呈现多尺度波动特征。湍流风况下,经过滤波后的机舱风速的时间序列和来流风速的时间序列体现出很强的相关性。对于湍流风况和稳态均匀风况,叶片/风轮旋转对风电机组机舱风速波动的影响最大。湍流风况会增加风电机组机舱风速的波动频率,增大波动的幅值,削弱风轮旋转对尾流和机舱风速的影响。湍流风况使得机舱周围的流动结构更复杂。稳态均匀风况与湍流风况下叶片吸力面叶根位置处都发生了分离流动,湍流强度增大了叶根位置处的流动分离。

基于三维卷吸尾流模型的风电场功率计算

风电场中风力机尾流产生叠加效应。为更加准确地计算风电场的尾流风速的分布,该文基于作者前期建立的单台风力机的三维余弦形状的卷吸尾流模型(3DCLE模型),考虑尾流叠加效应,建立了风电场尾流模型(3DCLEWFM)。通过Horns Rev海上风电场及Nørrekær Enge陆上风电场的实测数据来进行验证。结果表明,3DCLEWFM能够精准预测不同风向下风电场中风力机的输出功率,两种案例下,精度较Jensen风电场尾流模型(Jensen wind farm model,JWFM)提高65%和86%,较BPA风电场尾流模型(BPAWFM)提高48%和66%。

舰船尾流场模拟生成方法

为研究舰船尾流场生成方法,从而探索尾流特征对于舰船目标特性的影响。在实验室研究的基础上,利用螺旋桨和微孔陶瓷管组合装置,探索尾流场模拟生成方法。通过海上试验,基于多波束声呐平台,对该尾流场模拟生成方法进行了测试。试验结果为:在螺旋桨的带动下,微孔陶瓷管生成的模拟尾流声散射强度与实际尾流接近,尾流强度变化规律一致;随着螺旋桨转速的提高,模拟尾流持续时间显著增长,但最大声强有所降低。结论表明,使用微孔陶瓷管模拟气泡尾流生成可行性好,气泡发生装置放置在螺旋桨核心射流区有利于提升尾流模拟效果。

基于同步累积法的舰船尾流微弱信号检测方法研究

为适应复杂的动态变化的尾流气泡场环境,提高水下探测装置对舰船尾流微弱信号的探测信噪比与检出率,本文提出了一种基于同步累积法的舰船尾流微弱信号检测方法。利用周期信号的重复性与噪声的随机性,对连续多个周期信号做累积归一化处理,降低随机噪声对探测性能的干扰,提升探测信噪比。建立了针对舰船尾流微弱信号多时间尺度检测能力评估模型,评估本方法在多参量耦合下的探测性能。通过在室内水池、室外湖泊条件下开展大量模拟舰船尾流探测实验,验证了该方法适配稀疏微小的远场尾流气泡至高湍流扰动下的大尺度近场气泡检测。本文方法可实现全时域舰船尾流的跟踪检测,有效提升水下兵器的打击能力,为舰船尾流激光探测识别工程实践提供支撑。

基于风况预测误差自适应的海上风电场尾流偏转控制方法

风电场尾流偏转控制是降低尾流效应、提升整场发电量的重要手段。风况预测值是风电场尾流偏转控制的重要输入,其误差给实际控制效果带来巨大影响,甚至导致全场发电量“不增反降”,极大限制了风电场尾流偏转控制技术的工程应用。以某海上风电场实际运行数据为例,探索了分钟级风速和风向预测误差对风电场尾流偏转控制效果的影响,提出了风况预测误差自适应的海上风电场尾流偏转控制方法及基于深度神经网络的控制模型。研究结果表明:与不考虑风况预测误差自适应的传统风电场尾流偏转控制方法相比,所提方法的全场发电量提高了1.77%。

火箭弹尾流冲击效应研究

以火箭弹尾流场及发射平台为研究对象,基于计算流体动力学方法,采用有限体积法进行数值离散,建立火箭弹尾焰燃气流场数学物理模型进行计算。分析火箭弹尾焰射流与发射平台的相互作用,探究燃气流场速度、温度和压力等参数分布特性,并研究发射过程中尾焰燃气流对发射平台的冲击效应,得到发射平台关注区域表面压力、温度变化规律。之后对不同材料表面进行数值模拟及实验模拟对比,研究结果表明由钢材料替换铝材料后,钢材料表面温度低于熔点,可减小温度对平台的影响,为火箭弹发射平台防护及优化提供了理论依据。

垂直错列布局风力机群尾流特征研究

风力机尾流对风电场的输出功率有着重要影响,为深入研究增设小风力机对风电场整体出力的影响,采用OpenFOAM模拟2个大风力机和2个大风力机之间横向布置的3个小风力机的组合,并以小风力机与下游大风力机之间距离不同的4种工况和其中1种工况下小风力机高度不同为研究对象。该布局在2个大风力机之间增加3个小风力机,每排小风力机与下游大风力机的距离不同。结果表明:经距离不同和高度不同的计算对比,当小风力机高度设置为37 m时,随着与上游大风力机距离的增大,下游大风力机功率逐渐增加;当小风力机距离下游大风力机位置固定,增加小风力机轮毂高度则使得下游大风力机功率降低。

基于尾流振子模型的柔性悬挂立管涡激振动分析

为了分析深海采矿柔性立管涡激振动响应特性,提出了一种高效的针对特殊边界的处理方法.基于欧拉梁模型和尾流振子模型,结合有限差分方法,系统研究不同边界条件、中间仓质量和海流剪切参数对深海采矿立管涡激振动的影响规律.结果表明:悬挂立管底部会产生较大位移,与传统两端铰接立管相比,相同激励下悬挂立管会激发出更高阶的振动模态,从原本5阶模态升至6阶;随着中间仓质量增加,立管振动的主导模态会随之降低,在同一模态下,悬挂立管底部位移逐渐减小,从0.460降至0.405,当模态转换时,底部位移均方根会迅速增大,由0.405升至0.413;底部位移随着均匀流速的增加呈现出波动趋势,在一定流速范围内,位移随流速线性变化;随着剪切参数增大,在同一模态下,立管底部的位移逐渐减小,当模态转换时,底部位移会增加.

基于激光雷达探测的飞机尾流融合预测方法

为提高基于激光雷达的飞机尾流探测反演精度,根据扫描出的径向风速数据,建立了基于Kolmogorov结构函数的大气背景湍流耗散率(EDR)估计方法;然后基于两阶段消散预测模型,计入湍流对尾流消散过程的影响,实现基于历史探测数据的尾涡强度环量和涡核运动趋势的预测;通过环境探测数据与预测模型的结合,提高尾涡特性参数的反演精度。研究表明,相较于反演算法,采用本文模型预测的尾涡轨迹在径向距离和角度的精度上分别提高了59.5%、64.8%。

基于重叠网格的固定翼无人机尾流冲浪参数研究

在编队飞行中合理利用尾流冲浪技术,可使得后机获取明显的增升性能。基于该原理,按照候鸟迁徙飞行时所排成“V”字形设计了两架固定翼无人机组成的编队;利用CFD绘制无人机与流体域的重叠网格,对该飞行编队进行了数值模拟;并对飞行编队的气动参数进行了分析。研究结果表明:在气动作用下,尾流冲浪效应对前机的影响很小,对后机的影响明显;双机纵向间隔和垂直间隔对后机的升力系数、阻力系数、升阻比、俯仰力矩等参数均有影响;后机在合适的位置和迎角下,升力系数可提升11.7%。

尾流冲浪中后机等效诱导升力计算分析

为进一步得到在尾流冲浪中的减阻、节油等效益,提出了一种尾流冲浪中后机获取升力的计算方法,对节油率进行分析。采取数值模拟的方法,选取A330-200机型作为前机和后机,以其适用巡航速度在高空飞行作为背景,模拟了其尾涡的环量、半径以及其产生的下沉运动。根据尾流的耗散规律从2000~4500 m范围中选取了6组前后机纵向间隔,参照不同的后机距涡核的相对位置进行了滚转力矩分析,根据诱导速度等效转化为后机均匀获取的诱导升力,分析评估出合理的后机冲浪位置,得出较高的节油率为12.28%。

大型固定翼无人机跟随民航机的尾流安全评估方法

为避免大型固定翼无人机受民航飞机尾流影响导致的危险遭遇事件,特别是在航班量密集的终端区,计算了空域融合时两者所需的尾流间隔。首先,建立了民航飞机(前机)的尾流场演化模型和大型固定翼无人机(后机)的遭遇响应模型;其次,构建了考虑位置容差的无人机跟随民航飞机尾流危险评估模型;最后,在国内现行尾流间隔标准基础上,调整了不同典型民航飞机和无人机之间的尾流安全间隔。结果表明:在无风条件下,当民航飞机A380飞行速度为66.5 m/s、无人机MQ 1 Predator速度为50 m/s时,在侧向总容差为110 m、纵向总容差为1 km、垂直方向总容差为20 m时,为确保飞行安全,无人机需要与民航飞机之间至少保持纵向间隔17 km、侧向间隔133.5 m、垂直方向间隔339 m。当前机为不同类典型民航飞机时,纵向、侧向、垂直方向尾流间隔需要分别调整为14~17 km、88~133.5 m、108~322 m。该方法能更好地预测无人机在民航飞机尾流场下的安全位置,调整尾流间隔,提高空域利用率。

基于时间间隔标准的尾流安全评估分析方法

科学地优化飞机间尾流间隔是提升机场吞吐量的重要举措,确保安全是尾流间隔实施的首要前提。首先,基于大涡模拟试验数据,对经典的两阶段消散模型(Wake Two-Stage Decay Model,D2P)模型进行改进,创建顶风对尾涡环量衰减的影响模型。然后,针对基于时间间隔(Time-Based Separation,TBS)未考虑顶风会影响尾涡移动和尾涡环量衰减,通过转化为飞机地速和构建改进D2P模型深刻分析两因素对尾涡遭遇严重度的影响。最后,计算实施TBS时不同风速不同机型组合对应的最小尾流间隔,并综合分析对应间隔的尾涡遭遇严重度。结果表明:虽然TBS未考虑顶风对尾涡移动和环量衰减的影响,但可以确保前后机安全性;在顶风8 m/s应用TBS方案时,各机型组合的尾涡遭遇严重度约为静风时的30%。TBS安全地缩减了顶风时的尾流间隔。