动态风工况下复杂地形风电场流场多尺度仿真

首先在秒级风速数据的基础上构建动态风速函数模拟真实风速工况,同时基于高程数据构建某真实复杂地形的三维结构图。基于格子玻尔兹曼方法并结合自适应格子排布,对复杂地形风电场非定常流场进行数值计算,得到该风电场的风资源分布。之后在典型位置布置2台2 MW风力发电机,考虑真实风力机叶片的动态旋转计算风力机及真实复杂地形在动态风工况下的流场。研究实际复杂地形和动态风速下风电场的风速分布及尾流结构演变规律。结果表明：该方法可实现对复杂地形在动态来流风速作用下的风资源分布预测,并考虑风力机小尺度尾流结构实现对真实风电场流场的多尺度仿真。     

基于非均匀致动盘的风力机尾流模拟分析

针对常规致动盘方法中诱导因子均匀分布,而实际叶片的诱导因子沿径向变化的问题,提出了诱导因子非均匀分布的方法来模拟风力机的尾流流场。先以常规致动盘方法进行计算,根据理论和试验数据对比验证流场参数;在此基础上由叶片翼型参数求出诱导因子,根据其沿径向非均匀分布的特点进行计算,定性分析其尾流流场的特点及发展变化过程;最后,应用该方法分析两台同轴风力机在不同间距下所受到的影响。该研究结果可为风电场微观选址提供参考。     

用CFD方法模拟计算风力机尾流的研究

根据计算流体力学的原理和数值计算的方法,将研究区域划分为非结构网格,通过设置合理的边界条件,采用湍流模型模拟了不同间距的风力机尾流流场,对不同尾流流场的压力、速度和涡量的分布进行了分析,从而确定了在风力强度及风向相同的情况下,不同风力机间距的尾流特点。     

基于非均匀致动盘的风力机尾流模拟分析

针对常规致动盘方法中诱导因子均匀分布，而实际叶片的诱导因子沿径向变化的问题，提出了诱导因子非均匀分布的方法来模拟风力机的尾流流场。先以常规致动盘方法进行计算，根据理论和试验数据对比验证流场参数；在此基础上由叶片翼型参数求出诱导因子，根据其沿径向非均匀分布的特点进行计算，定性分析其尾流流场的特点及发展变化过程；最后，应用该方法分析两台同轴风力机在不同间距下所受到的影响。该研究结果可为风电场微观选址提供参考。     

基于致动线模型的风力机尾流场数值研究

针对致动盘模型存在的不足,使用非定常计算,提出了致动线方法,在致动盘模型的基础上改进了体积力的分布方式,利用体积力代替风力机叶片,结合不可压缩N-S方程,采用均匀分布和高斯分布两种不同体积分布方式,在FLUENT中对Nibe A型风机尾流进行模拟计算,研究了尾流区域的速度变化与湍流强度等,并将计算结果与试验数据进行比较。结果表明,体积力的分布方式对致动线方法的计算结果有一定影响,尤其是远尾流区域差异明显,高斯分布下的模拟结果更加接近试验数据,优于均匀分布;致动线方法用于风力机尾流场的计算基本能满足工程需要,但在远尾流场的模拟计算上精度还不够,需结合实际对模型作进一步改进。     

基于对称山丘地形与风力机耦合的流场数值模拟研究

复杂地形与风力机耦合诱导的流场较平坦地形下的风场流动特性更为复杂。基于致动盘理论和RANS方法,文章针对对称山丘地形与单台风力机间诱导流场的耦合作用,选取对称山丘地形的迎风山脚、迎风面、迎风半山坡、山顶以及背风半山坡5种布机方案进行研究。通过分析上述5种方案下所对应的风力机尾流区不同距离的轮毂高度处的径向风速与湍流强度的分布,以及山丘绕流与风力机尾流特性的相互影响,分析不同排布方案的影响,为复杂地形风电场尾流研究与风力机排布提供理论支持。     

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。     

涡模型对风力机气动特性的影响研究

比较了4种涡模型的诱导速度分布特征,包括两种层流涡模型和两种湍流涡模型。分别将4种涡模型应用至自由涡尾迹方法的尾涡诱导速度计算中,分析涡模型对风力机低速轴扭矩和尾流的影响。研究表明,在大风速下,湍流涡模型更能真实地反映流动状态;各个模型均能较好地捕捉流场结构和叶尖涡,层流涡模型的尾流涡量更集中,但耗散更快,湍流涡模型的涡量分布均匀,且耗散慢;涡模型对风力机近尾迹区域的尾流风速影响,比对远尾迹区域尾流风速的影响大。     

可用于风电场优化控制的尾流快速计算方法

根据空气动力学原理推导单台风电机组尾流模型,建立多台风电机组的尾流叠加模型。在此基础上,提出一种全场尾流快速计算方法,该方法用经过坐标原点的直线来表示不同的来流风向,计算各风电机组沿此直线方向到坐标原点的距离,以此距离确定风电机组的迎风顺序,根据风电机组单台尾流模型、尾流叠加模型及风电机组的迎风顺序,计算整个风电场的尾流分布。以丹麦Horns Rev风电场为算例进行计算分析,结果表明,该文所述的尾流快速计算方法能准确、快速计算风电场尾流分布。     

风电场尾流效应模型研究

以风电场内风速分布为研究对象,采用Abramovich射流理论建立风力机全场尾流模型(简称AV尾流模型),确定单台风力机的尾流影响边界;计及风电场拓扑、风速、风向变化等因素建立风电场尾流效应模型。通过对某风电场尾流模型仿真研究,得出风电场拓扑、风电场输入风速、风向对风电场尾流效应的影响规律,进一步确定风电场内速度分布,为风电场建模和动态特性研究服务。     

风力机尾流相互干扰的数值模拟

结合制动盘理论与CFD方法,采用FLUENT软件对置于有限面积的风电场内的9台风力机尾流相互干扰情况进行数值模拟。风电场内风力机机组呈梅花型排布,考虑入流角分别为0°、15°和30°代表风力机的偏航现象,利用FLUENT提供的FAN边界将风力机风轮简化为无厚度的产生压力跃降的制动盘,采用N-S方程求解整个风电场的流场分布。该文给出流场的速度分布、涡量分布及风力机机组周围的风能密度与湍流强度分布,反映了上游风力机机组的尾流会对下游机组的流场产生干扰的现象。通过对风电场和风力机的成功模拟表明,制动盘理论结合CFD的方法适用于风电场和风力机的流场模拟,可为风电场微观选址和风力机排布提供参考,且计算量远小于完全数值模拟方法。     

基于致动盘的潮流能水轮机尾流场研究

相比于三维CFD叶片真实模拟,致动盘方法将水轮机简化为流场中分布有作用力的核心区域,所需网格大大降低,节省了计算资源和计算时间。文章介绍了一种精度适中、计算成本较低的潮流能水轮机CFD致动盘数值模拟模型,将动量理论与CFD方法相结合,通过致动盘来模拟水轮机对流场的作用,通过求解Navier-Stokes方程获得尾流场。对比基于致动盘理论的数值模拟结果与真实水轮机的水槽实验数据,结果表明,致动盘数值模拟在远尾流处的结果比近尾流处更加接近实验值,致动盘方法很容易捕捉到远尾流的流场情况。研究结果可为潮流能大规模利用的数值模拟提供依据和参考。     

基于混合笛卡尔网格的风力机问题数值模拟

基于混合笛卡尔网格方法,对S809翼型和Phase VI叶片的绕流问题进行数值模拟研究。计算网格物面附近生成贴体结构网格,其余部分使用笛卡尔网格进行填充,两者之间通过查找"贡献单元"的方法来进行流场信息的传递。计算方法采用低速预处理方法消除可压缩方程在处理低速问题时的刚性,同时结合旋转坐标系方法考虑风力机旋转效应,进行风力机低速问题数值模拟研究。另外,在Phase VI叶片的计算中,通过笛卡尔网格的局部加密来捕捉尾涡。通过与实验数据及他人数值计算的结果进行对比分析,结果表明该文开发的这套基于混合笛卡尔网格的低速求解器能较为准确模拟风力机叶片轴流状态的流场,并能准确捕捉叶尖涡和叶根涡在风力机下游的发展。     

基于2D Frandsen模型的风力机尾流数值模拟

针对二维尾流模型计算精度不高的问题,基于Frandsen模型和径向尾流速度亏损呈高斯分布假设,提出一种2D Frandsen模型,该模型同时考虑环境湍流强度和地表粗糙度对尾流的影响。通过2D Frandsen模型对单台风力机尾流场进行模拟,并将模拟结果与风场实测数据和风洞实验数据进行对比,结果表明,该文的2D Frandsen模型可准确预测多种工况下尾流区域的各点风速,在径向分布上更符合真实流场,计算精度优于修正Frandsen模型和2D_k Jensen模型。     

链传动式风力机4种叶轮气动性能对比分析

采用UDF(User-Defined Function)和动网格相结合的方法对链传动式风力机三维流场进行数值模拟研究.通过对不同风速下4种叶轮的压力场、速度场以及风能利用系数的分析计算,发现叶片在流场中的形态对叶片的受力有较大的影响,风力机前后层叶片间的流场均匀地分布会有效提高后层叶片对风能的利用率.     

考虑尾流效应对风电场机组布局的影响分析

尾流效应的存在会导致风电场下风向风能减少,流场湍流度增加,进而影响风电场中位于下风向风机的效率和风轮的使用寿命。文章对尾流效应研究现状进行了概述,利用WASP软件以及风资源数据进行风电场模拟计算,将上下游风机之间间距以及上下游风机连线与主导风向的偏向角作为风机定位坐标,建立了分别由2台、3台、4台风机组成的模型并进行计算。比较在不同风机布局的情况下,风电场内每台风机和风电场的年净发电量以及尾流损失值随风机布局的变化趋势。对比计算结果得出风电场机组布局中风机之间的最佳间距和偏向角的定量值,确定风机尾流效应分析在风电场内机组布局中的重要性,为优化风电机组布局以及提高风电场风能利用率提供理论依据。     

垂直轴风力机动态流场及其气动性能分析

垂直轴风力机气动性能研究是风力机设计、实验的重要部分,对其运动状态下的流场进行分析是观测垂直轴风力机性能重要环节.基于NACA0012对称翼型,建立二维几何模型并进行模拟计算.采用k-ωSST湍流模型及滑移网格技术,通过CFD软件数值计算得到达里厄型直叶片垂直轴风力机运行时周边流场分布情况.通过比较不同方位角下流场涡量以及升、阻力系数得出:在方位角为105°附近时,翼型下表面产生流动分离,并导致失速;下风区翼型运行的流场由于受到上风区尾流的影响,翼型周围没有产生明显的流动分离.     

基于机组叶片长度的风电场度电成本优化

随着风力发电的迅速发展,风能资源和土地资源日益紧张,优化风电场度电成本显得尤为重要。近年来相同容量条件下的风机呈现叶片长度多样化趋势,由此,风机的叶片选型逐渐成为风电场度电成本优化的一项重要内容。文章提出了一种风电场混合叶片选型的方法,从全寿命周期度电成本的角度优化风电场中的各台风机的叶片长度,并采用遗传算法对此进行求解。提出了多风向条件下的尾流计算方法,对多风向尾流的计算进行建模与简化。算例分析显示,风电场相同装机容量条件下,混合叶片较单一叶片更有助于提高风电场的风能捕捉效率,降低风电场度电成本,文章提出的方法对于平坦地形风电场与复杂地形风电场均适用。     

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。     

复杂地形下风力机尾流数值模拟研究和激光雷达实验对比

以CFD数值计算和实验相结合的方法,对处于中国西南某多山地区陆上风电场的尾流特性进行研究,验证不同数值方法在复杂地形的适用性。首先采用2台激光雷达,测量目标风力机一个月内的自由来流风速和尾流廓线,在地形上坡加速效应下,不同大气稳定度下目标风力机的自由来流风速廓线均呈负梯度。然后分别采用经典致动盘和改进致动盘法,模拟目标风力机在主风向下的尾流发展。不同于只有风速与压降关系的经典致动盘法,改进致动盘法更考虑了叶片几何和气动参数(尺寸信息、攻角、桨距角、升阻力系数等)。通过与后置激光雷达尾流测试结果对比,这2种基于CFD技术的数值模拟方法,计算网格相同,计算时间相当,且均能较好地模拟因为复杂地形而引起的尾流偏转;其中改进致动盘的尾流形状与激光雷达相似,速度亏损也更接近激光雷达结果。因此,改进致动盘法更适合于复杂地形条件下风场模拟,较好平衡了计算的效率与精度。