上游山脉对风力机尾流和功率影响的模拟研究

更好地了解山地上风力机尾流和功率特性有助于山地风电场的布局设计。本研究采用高精度的大涡模拟(large-eddy simulation, LES)研究了上游山脉对下游山脉顶部风力机的尾流和功率性能的影响。在基于伪谱法的LES框架中,本文分别使用了滤波致动盘模型和浸入边界法模拟风力机和山脉对气流的作用。研究表明,LES结果与实验测量的速度和湍动能吻合很好,对湍动能的预测优于雷诺平均Navier-Stokes(Reynolds average Navier-Stokes, RANS)方法。在山脉风力机尾流的模拟中,研究发现风力机尾迹中心轨迹在山顶下风处向下偏转。与孤立山地相比,双峰型山地的尾流恢复速度更快,其恢复速率随着山脉间距的增加先增加后减少。对于有山脉情况,尽管由于气流的加速效应,高斯分布与尾流速度亏损分布在尾流下边缘存在差异,但高斯曲线仍然适用于近似风力机尾流的速度亏损。此外,因为上游山脉尾迹会扩散且到达下游山脉迎风面时会被抬升,所以当山脉间距达到一定距离时,风轮会完全浸没在上游山脉尾迹中,导致风力机功率性能受到上游山脉的不利影响,随着山脉间距的增加先下降后上升。本研究加深了对山地风力机尾流特性和功率性能的认识,对山区风电场的布局设计具有指导意义。

基于二维代理模型的风力机尾流计算和风电场布局优化

针对现有风力机尾流采用计算流体力学方法(CFD)进行数值模拟遇到的网格数量多、计算资源需求大的问题,提出采用二维代理模型的风力机尾流数值模拟方法,并将此代理模型运用于风电场的布局优化中。首先对单台风力机的尾流进行数值模拟研究,并根据现场实测数据对模拟结果进行检验;其次将代理模型运用于多台风力机的风电场模拟中,分析风力机在不同来流风向角下尾流效应情况。最后结合风速风向玫瑰图计算多台等距矩形布置的风电场的年发电量,分析风电场与N(北)方向的夹角与风电场年发电量的关系。仿真表明:现场实测数据和模拟数据相关程度高且误差较小,验证了二维代理模型的可行性和计算结果的准确性。风电场与N(北)方向的夹角在0°~40°范围内时,夹角大于0°时的风电场年发电量均大于夹角等于0°时的年发电量;风电场布局优化时选择合适的风电场与N(北)方向的夹角有利于提高风电场的年发电量,提高经济效益。

动态风向对风力机尾流演化规律的影响

为了研究动态风向对水平轴风力机尾流演化规律的影响,文中基于OpenFOAM软件平台,采用大涡模拟(LES)耦合致动线模型(ALM)的方法,分析动态风向幅值变化对尾流速度特性、湍流特性以及蜿蜒特性的影响.研究结果表明:随着动态角度幅值的变化,尾流速度上的差异主要体现在4D(D为风轮直径)以后,且随着角度幅值的增加,尾流平均速度的恢复越来越快;动态风向条件下,叶尖涡出现振荡现象,且随着动态风向角幅值的增加,振荡幅度越来越大;风向角的动态变化加剧了尾流的蜿蜒,随着角度幅值的增加,尾流中心最大偏移量增加,增长符合二次幂函数规律,且远尾流的增长率远大于近尾流;当动态角度变化幅值达到15°时,10D处的尾流中心偏移量达到了48.62%;动态风向角变化幅值的增加会改变尾流边界,导致尾流影响范围扩大.

基于改进致动盘和拓展k-ε湍流模型的风力机尾流数值研究

提出了适用于风力发电机组尾流的数值计算方法:将风轮简化成致动盘,附加动量源项;引入改进湍流方程源项,改善标准k-ε湍流模型造成的尾流恢复过快的问题;应用分布函数改进动量源项和湍流源项系数C4ε沿风轮径向的分布规律。以Nibe-B和Dawin 180/23这2种风力发电机尾流为例,使用不同的尾流模型计算出风力机在多种入流风速下的尾流场。结果表明,与其他尾流模型相比,改进后的模型相对于实验结果具有更高的预测精度,能够更好地模拟风力发电机尾流。

风切变对风力机尾流湍流特征影响的研究

采用LES方法,对自行开发设计的100 W小型水平轴风力机在有、无风切变两种入流情况下的尾流特征进行了模拟计算,计算中提取了流场稳定后的x、y、z三个方向的瞬间速度、压力等参数的600个数据样本,计算得到了尾流内轴向速度和湍流强度的方均根值,分析了有、无风切变两种入流情况下风力机尾流内的时间平均轴向速度、湍流强度及涡结构等流动特征。结果表明:无风切变入流情况下,尾流内的叶尖涡、中心涡及轴向速度都呈现对称性;而风切变入流情况下,尾流内叶尖涡螺旋轨迹上面部分的螺距明显大于下面部分的螺距,呈现出了非对称性,而中心涡和轴向速度也都呈现出一定的非对称性,且风切变入流情况下尾流内的涡传播距离更远;在y/d<6的近尾流区域内,无论入流是否存在风切变,风力机尾流膨胀现象都不很明显;在相同入流湍流强度条件下,有、无风切变入流情况下尾流内湍流强度的变化规律相似,入流风切变对尾流内湍流强度的影响较小。

基于改进k-ω SST模型的风力机尾流数值模拟

基于双方程k-ω SST模型提出两种改进湍流模型,采用丹麦科技大学的自编求解器EllipSys3D结合致动盘方法,对单台风力机尾流流场进行数值模拟。该文将SST-sust模型引入到风力机尾流的数值研究中,为了更进一步增大预测到的湍流强度和提高尾流恢复速度,提出SST-Csust模型和SST-Dsust模型,它们是在SST-sust模型的基础上分别调整湍流模型的封闭常系数、修正ω方程的耗散项。通过与理论、实验以及LES模型进行对比分析,结果表明该文提出的改进模型在尾流区速度分布和湍流强度分布的预测方面可取得较好的应用效果。

不同布置方案风力机尾流及相互作用的实验研究

以不同布置方案的风力机尾流场为研究对象,运用压差式风速仪对风力机尾流场的相互作用进行研究。对于2台风力机,当下游风力机(第2台风力机)全部或部分置于上游风力机(第1台风力机)的尾流场时,对下游风力机的尾流场进行测量。实验结果表明:当下游风力机全部置于上游风力机尾流场时,近尾流场受上游风力机尾流的影响较大,远尾流场受上游风力机尾流的影响较小,当两风力机轴向距离5D时,上游风力机对下游风力机的影响整体较小,且来流逐渐融合,表现出小幅度波动现象;当下游风力机部分置于上游风力机尾流场时,处于尾流场中的部分受上游风力机尾流(主要是叶尖涡)的影响,与尾流区外的相比,该部分的尾流区速度损失严重,但稳定性较好,当风力机横向距离大于1.5D时,随着横向距离的增大,轴向速度逐渐增大;随着轴向距离的增大,2种布置方案下轴向速度的变化幅度均逐渐减小。

基于大涡模拟的风力机尾流特性研究

耦合大涡模拟(Large-Eddy Simulation,LES)与致动线方法(Actuator Line Method,ALM),对均匀入流下的水平轴风力机作数值模拟研究,探究三种亚格子(Subgrid-Scale,SGS)模型下风力机的尾流特性。结果表明:雷诺应力与湍流切应力在叶尖涡与叶根涡区有明显的最大值与极大值,尾迹随下游位置的变化呈现出逐渐增大的各向同性;平均速度亏损比产生的湍流更持久。不同SGS模型在相同叶尖速比下得到的轴向速度干扰因子和速度环量沿叶片径向分布几乎相同。相同位置处的尾涡由不同强度的涡旋组成,能量较小的涡旋是尾涡组成中的主要部分;尾流发展的过程中,强度较大的涡集中在尾涡中心,强度较小的涡在尾涡外围分布。对于所使用的三种亚格子模型,能预测出相似的尾流效应,亚格子模型的选择对尾流的模拟影响较小;νSGS=0时,求解过程只有数值耗散,仍能获得很好的模拟结果。

湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响

基于一台33 kW的水平轴风力机,利用大涡模拟耦合致动线的方法,模拟均匀来流以及不同湍流度来流条件下的风力机尾流流场,研究湍流度对水平轴风力机尾流及转矩特性的影响.结果表明:湍流来流时风力机尾流与周围流场的能量交换比均匀来流时更强,湍流掺混速度更快,从而使得尾流区速度恢复加快,且湍流度越大,速度恢复越快;相较于均匀来流,湍流来流时风力机尾流速度的最大亏损率减小,但湍流度大小对尾流速度最大亏损率影响较小;尾流半径增长速率在风轮平面至风轮后两倍直径范围内逐渐减小,在两倍直径之后基本不变;湍流会使尾流膨胀程度增强,且湍流度越大,膨胀程度越强;在11 m/s风速条件下,湍流度增大导致风轮转矩时均值减小,波动幅度增大,风轮转矩在高频与低频部分的能量升高,并且低频部分能量升高得更快.

基于OpenFOAM的层结性对风力机尾流大气参数的影响

层结性是影响大气参数变化的重要因素,不同的层结状态会对风力机尾流大气参数产生不同的影响。文章基于开源CPD平台OpenFoam,并结合大涡模拟和大气边界层理论,开发编译了特定求解器下的风力机模型,实现不同层结状态下风力机尾流对大气参数影响的研究。研究结果表明:稳定层结下风力机尾流的影响范围远,不稳定层结的风速损失较小,两种层结状态下风速分布规律相似;在轮毂高度处,不稳定层结下温度下降,稳定层结则上升;与来流大气温度相比,不稳定层结的远尾流区温度变化明显。在风轮高度以下及3d(风轮直径)以上区域,风力机后各处的温度分布不受尾流发展的影响;在风轮高度以下区域,不稳定层结下的尾流温度比来流大气温度低,而稳定层结则相反。

水平轴风力机尾流湍流结构的时空演化

基于小波变换的分析方法,结合致动线模型和大涡模拟研究了一台33 kW水平轴风力机尾流湍流结构的时空演化过程.研究发现,随着距风轮平面距离的增大,尾流中各测点的平均速度先减小后逐渐增大,速度波动的幅值呈减小趋势;风轮后7倍直径内,速度曲线具有明显的周期性,反映出脱落涡通过频率为1.80 Hz,其为风轮旋转频率的两倍.风轮后1倍直径测点处的叶尖涡所在的频率为0.78~25.00 Hz,形成的涡管通过该测点的时间约为0.32 s,涡管直径约为1.83 m;3倍直径测点处出现了0.15~0.78 Hz的低频率湍流结构;7倍直径测点处叶尖涡的频率为1.56~25.00 Hz,相比7倍直径测点之前的叶尖涡频率范围有大幅减小;8倍直径测点处,与近尾流区域相似的叶尖涡的涡管形状消失;9倍直径测点处叶尖涡基本完全耗散.

基于风力机尾流排斥的平坦地形风电场微观选址优化

平坦地形风电场微观选址的优化研究中,常采用带有随机量的元启发式算法,这些算法难以达到全局最优,优化效率较低,且通常需要通过划分网格、增加约束才能得到稳定解。针对这些问题,文中提出了一种专门针对平坦地形风电场微观选址的高效且有稳定优化解的元启发式算法——风力机尾流排斥优化算法。参考范德华力原理,提出了风力机尾流排斥力的概念,用于描述风力机在尾流作用下的相互影响:2台风力机之间尾流作用越大,风力机尾流排斥力也越大。在算法优化过程中,风力机会在风力机尾流排斥力的作用下向使尾流减小的方向不断移动,直到达到最优解。仿真结果表明:风力机尾流排斥优化算法不需要网格约束,优化效率高,能得到确定的优质解,且优化结果符合实际工程要求。

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。

下击暴流对风力机尾流及转矩特性的影响研究

以美国国家可再生能源实验室(NREL) 5 MW机组为研究对象,采用大涡模拟结合致动线模型(LES-ALM)方法,分析下击暴流垂直风剪切条件下风力机尾流的速度特性、湍流特性及转矩特性.结果表明:相比于均匀来流和B类风场风剪切,下击暴流垂直风剪切条件下,风力机尾流轴向速度亏损最大,且尾流轴向恢复最慢,尾流非对称特性更明显;随着尾流向下游发展,三种来流工况下风力机尾流湍流强度的变化均为先增大后减小,且湍流强度最大值(在11D附近,D为风轮直径)均在10%-12%之间;在尾流湍流强度衰减过程中,下击暴流垂直风剪切条件下,风力机尾流湍流强度衰减更快;另外,与均匀来流和B类风场风剪切相比,下击暴流垂直风剪切条件下风力机低速轴转矩均值降低,但其标准差却明显增加,说明低速轴转矩波动幅度增加,进而引起风力机输出功率的波动增大,输出电能质量降低.

考虑非稳定大气边界层的风力机输出特性研究

本文基于CFD方法,从不同性质大气边界层中风力机的输出特性进行研究,对中性和非中性大气边界层环境下风力机的输出特性如功率、尾流速度等进行分析。针对所预选风力机的基本参数,在保证轮毂处风速为额定风速的基础上,通过改变速度分布及温度来构建入口边界函数,而后进行风力机CFD分析。结果表明中性大气边界层条件下在距风力机下游15D处恢复到了来流速度的89%,而不稳定大气边界层条件下的尾流速度已完全恢复。此外,不同性质大气边界层的整体尾流恢复有所差异,在近尾流区及过渡区尾流恢复程度基本相同,在远尾流区非中性大气边界层条件下的速度分布高于中性大气边界层。

均匀人流风力机模型尾流特性实验研究

本文利用热线风速仪测量了低速风洞内均匀入流风况下风力机模型后不同流向位置处的尾流流场。通过分析平均速度和湍流强度廓线,可以发现随着远离转子,湍流强度和速度亏损逐渐减小,尾流区轴向速度逐渐增大。由于塔架塔影效应影响,转子下侧速度偏低,湍流强度偏大,因而不可忽略塔架对于小型风力机近尾流特性的影响。

基于大涡模拟方法的风力机气动性能和尾流干扰研究

利用致动线(Actuator Line Method,ALM)和大涡模拟(Large-Eddy Simulation,LES)结合的方法,采用4种亚格子模型,对低湍流度均匀来流中不同转速下两台串列风力机的气动性能和尾流干扰开展数值模拟研究,并探讨了亚格子模型对尾流场模拟的影响.两台风力机功率系数和推力系数,以及尾流场的轴向平均速度和雷诺应力分布的计算结果与实验值基本吻合,验证了ALM-LES方法对风力机尾流研究的可靠性.受上游风力机尾流的影响,下游风力机功率系数和推力系数大幅降低,最大功率系数仅为上游风力机最大功率系数的25%左右.与来流风况的低湍流度相比,风力机尾流场中湍流强度大幅提高.通过不同亚格子模型计算结果的对比分析,得出亚格子模型的选择对风力机气动性能和尾流场湍流特征参数的计算影响较小.

能质扩散尾流模型的数值研究

本文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。研究从湍流平均运动的动能方程出发,通过对非线性项中的速度进行线性化,同时引入能质的概念,得到尾流衰减对应的能质密度满足的对流扩散方程;采用粒子随机运动求解方程得到能质密度,并通过变换将动能衰减叠加到原平均动能场中,得到对应的尾流速度。研究表明,基于能质扩散的风力机尾流模型在平坦地形上与实验数据吻合得较好;对于复杂地形情况,模型通过边界条件将地形信息与浓度方程相耦合,所得尾流速度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。

1.5MW双馈风力发电机组整机流场数值模拟研究

通过Solidworks三维建模软件建立1.5MW双馈风力发电机组外形模型。并以此为研究基础,利用Solidworks软件自带的Flowsimulation插件,对6m/s、12m/s、18m/s风速下的风力机尾流效应进行分析,结果表明:模拟区域网格数量的多少能直接影响求解精度;来流风速越大,机组下风向速度恢复的长度越长。