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。

基于三次修正Jensen尾流模型的海上风电场布局优化

目前修正的Jensen尾流模型均没有同时修正尾流初始半径和尾流初始风速,无法准确预测海上风电场的实际尾流风速。基于二次修正Jensen尾流模型基础上,提出三次修正Jensen尾流模型,并通过海上风电场风洞实验数据验证该修正尾流模型的正确性。其次,考虑全尾流及部分尾流面积,将该三次修正Jensen尾流模型应用到海上风电场的布局优化中,以风力机的坐标及数量为优化变量,以度电成本为优化目标函数,并利用樽海鞘算法对海上风电场的风力机布局进行优化设计。优化结果表明:对比采用改进Jensen模型指导风电场布局,采用三次修正Jensen模型时,风电场的布局更加均匀;对比考虑全尾流的布局,当考虑部分尾流布局时,度电成本降低了2.16%。

风力机组尾流模型适用性评价

[目的]风力机组的尾流效应是风电场能量损失的重要因素,研究机组尾流有利于优化机组排布,提升风电场的经济性。[方法]分别对8种常见尾流模型的尾流风速衰减、湍流强度预测情况进行对比研究。为确保评估的合理性,基于风场测量数据及风洞实验数据进行定量分析,对比数据范围限定于风机下游距离3倍到10倍风轮直径。[结果]分析结果表明:对于尾流风速预估,二维模型较一维模型与实际尾流风速分布结构更契合,其中Jensen-Guass有着更好的尾流宽度预测,而2D-k-Jensen尾流中心风速预测精度更高且多工况适应性更强,最大平均偏差及偏差标准差分别为8.7%、5.5%,均适用于机组尾流风速预估。一维模型中的Jensen模型尾流中心风速预估能力虽最好,部分工况平均偏差低于10%,但Park模型在尾流风速水平分布预测上表现更佳,案例2中预测性能与二维模型相当,各工况平均偏差均低于10%,较前者更适合尾流速度预测。对于湍流强度的预测,Ishihara模型在湍流结构的预测展现出明显优势,平均偏差均低于10%,但尾流中心处湍流强度预测结果较差,不利于下游机组位置处湍流强度的预测,其余模型中Frandsen、Jensen-Guass在低环境湍流强度工况的预测相对较好,但高环境湍流强度下两者存在相反趋势,Frandsen模型预测精度更高,适合机组湍流强度预估,而Jensen-Guass的预估结果远大于实验值,预测结果较不稳定。高上游风速下各模型尾流风速预估精度均有较大的提升,环境湍流强度的提高对模型尾流风速和湍流强度预估精度有一定的促进作用,Jensen-Guass模型除外。[结论]Jensen-Guass和2D-k-Jensen模型尾流风速预测值与实测数据吻合较好,Frandsen模型湍流强度预测性能更佳,可作为海上风场机位排布优化及尾流控制分析的参考尾流模型。

前后风力机尾流干扰实验分析及混合尾流模型验证

为研究两台水平轴风力机在不同排布下尾流的相互影响,开展两台风力机串联和错列工况下的尾流速度风洞测量实验。实验结果表明:对相同来流情况,风力机不同排布下混合尾流的尾流膨胀速率相同;串联风力机的轴向间距小于6倍风轮直径时,其混合尾流比单台风力机尾流恢复快。另外,对已有尾流模型的叠加方法(速度亏损平方和法)进行了验证。结果显示基于Park-polynomial模型和Park-Gauss模型得到的叠加尾流在距下游风力机3.5倍风轮直径的截面与测量值吻合良好。之后的截面高估了尾流的速度亏损。该研究为发展更准确的尾迹模型提供了风洞测量数据,对风电场内风力机排布优化有一定的工程意义。

改进风力机三维尾流模型及其风速预测准确性研究

针对大型风力机受来流风切变影响,风速差最大达到30%的问题,文章以2D_K Jensen尾流模型为基础,提出了一种改进的三维尾流模型。该模型基于质量守恒理论,通过综合考虑入流的风切变效应、尾流区域的湍流强度分布和各异性的尾流扩展率等因素,修正垂直剖面尾流速度的非对称分布,提高了尾流模型在近尾流区的预测精度。通过与风洞实验测试数据进行对比分析,发现文章提出的修正模型在近尾流区与风洞测试数据吻合较好。该模型能够较好地预测单个风力机尾流区域的速度分布,且无需数值模拟确定经验参数,可用于风电场的微观选址和发电量评估。

风力机三维卷吸尾流模型的研究与验证

一维线性卷吸尾流模型(LE,linear entrainment)基于质量守恒和动量守恒建立,这有利于提高尾流预测精度,但其假设尾流呈顶帽形状分布。采用余弦形状来修正尾流速度的径向分布,湍流强度经验公式来修正尾流模型,提出二维余弦LE尾流模型(2DCLE,two-dimensional cosine linear entrainment);然后,考虑风切变影响,将二维模型拓展到了三维模型(3DCLE,three-dimensional cosine linear entrainment)。通过风洞试验和2个外场试验案例验证三维模型的精度。研究结果显示,与传统模型相比,3DCLE模型能够更加精准地预测横向和垂向的尾流速度亏损,最大误差和最小误差均最小。

风力机三维尾流模型研究与验证

考虑风剪切效应,提出一种高斯形状的三维尾流模型(3DG-k)。该模型定义尾流半径rw等于两倍的高斯特征参数σ,并与物理尾流边界的扩展系数k建立联系,来描述风轮后尾流边界的演变规律。通过GH风洞实验数据、Nibe风电场实测数据、Vestas V80-2 MW风力机大涡模拟数据,对3DG-k模型、Jensen模型、三维高斯模型(3DG)及三维椭圆高斯模型(3DEG)进行对比分析。研究结果显示,3DG-k模型在3种案例中均显示出最佳的预测精度,更适用于工程实际应用。

基于风场实验的三维叠加尾流模型特性研究

针对目前存在的尾流模型对叠加尾流空间分布特征描述不完整的问题,提出了一种基于双高斯函数的三维叠加尾流模型(3DJGF-M模型),以达到对叠加尾流更准确、全面地预测。首先,修正了三维双高斯全尾流模型(3DJGF模型)的尾流膨胀系数,该系数不需要多次试验计算来确定,可减少计算成本;其次,通过引入风切变的影响,修正了速度亏损叠加原理;此外,以3DJGF模型为基础,利用考虑风切变的叠加原理推导了3DJGF-M模型;最后,利用激光雷达进行了风场实验,验证了3DJGF-M模型的准确性。结果表明:3DJGF-M模型在预测整个尾流区水平剖面以及垂直剖面的相对误差基本都在5%以内,预测效果良好,对于风电场布局优化有较大的应用潜力。

考虑风切变影响的三维尾流模型风场实验

针对目前风力机尾流模型只能描述远尾流区域的尾流分布而忽略了近尾流区域的尾流特征的问题,基于双高斯函数,利用流量守恒定理并通过旋转修正推导了一个新的三维尾流模型。该尾流模型考虑了风切变的影响,并且能够描述近尾流区域以及远尾流区域的三维尾流分布特征。采用两台地基扫描激光雷达进行了风场实验,实验数据表明水平方向的近尾流分布类似于对称双高斯形、远尾流区域类似于对称高斯形,而垂直方向由于受到风切变的影响,在近尾流区域尾流分布类似非对称双高斯形、远尾流区域分布类似非对称高斯形。利用实测数据对三维尾流模型预测的水平剖面以及垂直剖面进行了对比验证,验证结果表明三维尾流模型的预测曲线和实验数据吻合良好,其平均相对误差大部分都在5%以内。新提出的三维尾流模型能够较好地预测风力机下游的整个尾流区域的空间分布,可为风电场的布局提供优化方案。

垂直轴风力机三维尾流模型的研究

基于流量守恒,提出一种H型VAWT的三维解析尾流模型,该模型考虑了风切变效应,并采用多元高斯分布。首先,通过风洞试验及大涡模拟数据进行模型验证,结果表明在x/D> 3的远尾流区,横向剖面的相对误差小于2%,垂向剖面的相对误差小于3%。然后,从下游4个位置(x/D=3、6、9、12)、3种推力系数(C_(T)=0.6、0.7、0.8)、4种风切变指数(α=0、0.1、0.15、0.2)、两种湍流强度(I_(0)=5%、8.3%)下演示了一系列预测结果,结果显示该文模型能有效地描述尾流风速的空间分布。由于考虑了高度影响,该模型可用于风力机轮毂高度的优化及风电场的布局优化,有利于提高风电场的功率输出。

风电场常用工程尾流模型对比与分析

介绍了Jensen模型、Frandsen模型和Gaussian模型3种尾流模型的推导假设条件和计算公式,建立基于环境湍流强度的统一尾流模型参数设置方法,并对不同湍流强度下的尾流基本特性进行分析,进一步采用风电场实测数据对3种尾流模型进行验证和分析。结果表明:Jensen模型和Gaussian模型适用于风机间距9D~10D(D为叶片直径)以内的尾流模拟,Frandsen模型适用于风机间距较大(>10D)的风场尾流模拟;通过实测数据验证,Gaussian模型模拟结果最好,能够较好地模拟径向尾流分布和最大尾流损失情况。

水平轴风力机三维全尾流模型推导及验证

为进一步了解整个尾流区域的速度衰减空间分布特征,提出一种三维全尾流模型。首先,采用高阶高斯函数预测尾流剖面,其在近尾流区由顶帽形演变为远尾流区的高斯形;其次,考虑风切变效应,引入风切变入流与均匀入流的风速差;此外,考虑到尾流膨胀的各向异性,在垂直方向和水平方向采用不同的尾流膨胀系数;最后,通过风场实验验证所提三维全尾流模型的准确性,结果表明所提出的全尾流模型预测的相对误差基本在5%以内,能够较好地预测整个尾流区域的三维分布。

动态尾流模型在水平轴风力机气动性能计算中的应用

根据势流理论导出风力机动态入流对速度诱导因子及推力系数的影响,建立了动态尾流气动模型。改进了风力机动态过程分析中传统的准稳态平衡尾流近似模型,从而较真实地反映尾流动态滞后和动态诱导速度场,更适用于风力机动态气动分析。应用该动态气动模型开发了风力机动态气动性能计算程序,对一台1.3MW失速调节型风力机进行了气动性能计算。通过比较动态尾流模型和平衡尾流模型处理阶跃风和阵风等动态过程的计算结果,分析了动态气动模型及其数值方法的正确性和实用意义。

半经验风力机尾流模型的研究

以探究基于势流理论的半经验公式型的风力机尾流模型为目的,研究无粘近场尾流模型和两个远场尾流模型,即Jensen模型与改进Jensen模型。针对两种Jensen模型的不足提出物理模型的修正,得到改进的远场尾流模型,同时结合无粘近场尾流模型,建立两种全场尾流模型,并将其分别与风力机尾流流场实测数据和其他模型计算结果进行比较。结果表明,对两种Jensen模型所提出的修正符合实际流场的特性,所建立的两种全场尾流模型结构简单,流速计算结果与实测数据一致,优于常用的Jensen模型与改进Jensen模型。

考虑风切变的风电场尾流模型实验研究

针对当前一维和二维尾流模型只能预测平坦地形风电场内风力机轮毂中心高度平面内的风速分布问题,该文基于Jensen模型,考虑风切变效应和高斯分布特点,提出一种预测复杂风电场内垂直高度平面风速分布的尾流模型。为分析垂直高度平面内尾流分布特点和验证所提出模型的准确性,采用两台不同类型的地基式多普勒激光雷达在河北某风电场进行测风实验。实验数据表明由于风切变效应的影响,垂直高度平面内尾流风速分布呈现非对称分布特点。与此同时,通过对比两个不同下风向位置处实测数据和尾流模型预测风速,结果表明新提出的尾流模型可以很好地预测垂直高度平面风速分布特点,与实测数据吻合度高,符合真实的尾流流场分布。

基于浓度扩散的风力机尾流模型

将湍流扩散与浓度扩散进行类比,提出一种适用于复杂地形风电场微观选址的风力机尾流模型。求解Navier-Stokes方程和浓度扩散方程,得到风电场中的流场信息,建立尾流速度、湍动能与浓度之间多项式变换关系并通过实验数据拟合得到变换中的系数。研究表明,基于浓度扩散的风力机尾流模型通过边界条件将地形信息与浓度方程相耦合,所得尾流物理量能随着地形起伏而发生变化,且计算量适中,可用于预测复杂地形风电场的流场分布。

一种水平轴风力机尾流模型及其计算方法

基于现有的尾流模式,提出一种新的尾流计算方法.新的尾流模式将尾流分为近涡区和远涡区,在近涡区,尾涡在选定的扇形截面上解析求出,在其他处通过非线性插值求得.在尾涡中选取有限的离散点数计算诱导速度,减少了计算量,根据流体连续性方程确定尾涡的扩散半径,避免了梢涡半径的不收敛性.通过具体的风力机算例,与刚性尾流模型相比,该方法计算的轴向诱导因子其分布趋势更加合理,验证了该方法的正确性和实用性,为水平轴风力机风轮气动设计和性能计算提供一种有效的尾流模型计算方法.

立管尾流模型研究及其在顶张紧立管干涉分析中的应用

干涉分析是深水立管设计流程中的重要组成环节。介绍了顶张紧立管(TTR)干涉分析中的不同尾流理论,通过FLEXCOM软件建立TTR干涉分析模型,对比了不同尾流模型下的干涉分析结果,通过对比得知Blevins尾流模型相对Huse尾流模型计算的立管净距要小。在实际工程中建议根据环境情况选取尾流模型,同时结合干涉分析结果和井口布置需求等因素确定立管间距。

基于测风数据的经验尾流模型适用性分析研究

风电机组的尾流效应是风电场能量损失的重要因素,研究尾流效应是为了优化风机布置,尽量减小风力机尾流的影响,降低风电场能量损失,使风电场的经济性达到最佳。而现有的许多工程应用的经验尾流模型,在准确性和适用性上都存在差异。以单台水平轴风电机组经验尾流模型为研究对象,分析了Jensen模型、Larsen模型、Frandsen模型和无粘近场模型等具有代表性的经验尾流模型的各自优缺点以及适用条件。然后,针对Jensen模型和无粘近场尾流模型的缺点进行了改进,并结合改进Jensen模型与改进的无粘近场尾流模型,分段建立了准确度更高适用性更强的全场尾流模型。最后,基于Sexbierum风电场尾流区测风数据对建立的全场尾流模型进行了对比验证。结果表明,全场尾流模型能够较好的拟合风场的实测数据,可以适用于风力机全场尾流速度分布的模拟以及指导工程实践。

水下航行器局部空泡流场的空泡尾流模型初探

基于二维翼型局部空泡绕流场的空泡尾流模型 ,提出了几种可用于轴对称回转体局部空泡流场计算的空泡尾流模型 ,并对这些模型进行了探索性的理论分析 ,给出了应用其中的压力恢复闭合模型求解回转体局部空泡绕流场的算例 ,通过比较发现与实测值的一致性较好 ,说明本文提出的空泡尾流模型适合于求解轴对称回转体线型的局部空泡流场。