风力机三维尾流模型的提出与校核

针对大型风力机叶轮范围内风剪切效应突出以及当前工程尾流模型局限于二维空间而忽略垂直方向风速变化的问题,该文综合考虑风速和湍流强度切变效应对尾流的影响,在前期所发展的二维2D_K Jensen尾流模型的基础上,提出一种新型三维尾流模型。之后,新模型被应用于多种工况条件、多种类型的风力机尾流计算中,较为全面地验证其精度及适用性。通过与外场实测和其他高精度数值模拟的结果进行对比,表明新模型对流向、横风向和垂直向的尾流速度均具有良好的预测精度,将来可应用于大型风电场发电量评估和微观选址工作。     

计及风向不确定性的海上风电场年发电量计算

以欧洲Lillgrund海上风电场为例,建立基于Larsen尾流模型及线性叠加模型的风电场输出功率及发电量计算模型;考虑风电机组偏航偏差等风向不确定性的影响,建立基于高斯平均方法的风电场计算功率修正模型;结合风电场实测数据及发电量计算收敛过程分析,研究了修正模型对风电场功率及发电量计算的影响。结果表明,所建立的尾流作用下的风电场功率计算模型能够较好地反应实际风电场的尾流影响特征,高斯平均修正方法进一步提高了尾流作用下风电场功率计算精度,并提高了发电量计算的收敛速度。在风电场年发电量计算中考虑风向不确定性的影响,对于提高模型评估与验证的准确性具有重要意义。     

风向变化对风力机尾流影响的数值分析

为了探究风向变化对风力机尾流的影响,选取NREL 5MW风力机建立模型,采用Fluent软件在额定工况下对单台风力机及风向变化时的2台风力机进行数值模拟,并对比其输出功率及尾流的流动情况.结果表明:当风向变化角为0°,即串列排布时,上游风力机对下游风力机的影响很大;随着风向变化角由5°增大到10°,上游风力机对下游风力机的影响逐渐减小,下游风力机的功率减小率由7.53%减小到4.24%,输出功率明显增加,可见风向变化对风力机尾流有影响.     

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。     

基于二维尾流模型的风电场产能分析

文章提出了同时考虑径向上的非均匀风速分布和轴向控制体侧面上空气流量变化对尾流风速影响的改进模型。采用Jensen模型、轴向改进的半经验模型、径向改进的二维模型、文章提出的改进模型进行风电场产能分析,验证不同尾流模型用于风电场产能分析时的计算精度。计算的产能结果与江苏省某风电场的实际产能进行对比,结果表明,文章提出的改进模型具有较好的计算精度。风电场的产能损失主要来源于尾流损失,其主要取决于3个因素:(1)风力机与上风向风力机间距的大小;(2)尾流效应影响的风向上的风速在全年风速中的比例大小;(3)是否受多台风力机尾流叠加影响。文章提出的改进模型能提高风电场产能的评估精度。文章提出决定尾流损失的3个因素对优化风电场的排布设计、提高风电场的总产能和经济效益具有重要指导意义。     

基于实测风场的沿海风力机叶片流固耦合特性分析

采用无人机测风手段实测获得某沿海风电场的风场特征，将所测量的风场参数应用到后续数值模拟中。以某2 MW风力机叶片全尺寸模型为研究对象，基于Workbench平台建立流固耦合系统进行计算，通过对比近尾流风速分布的数值模拟结果与实测结果来验证数值计算的准确性，进而计算额定风速下旋转叶片的挥舞变形和等效应力等响应。结果表明：风力机叶片的挥舞变形在0°方位角时最大，最大变形为1916.4 mm，接近静力加载试验最大挥舞工况结果 2299 mm；相同方位角下的挥舞变形沿着叶片展向呈非线性增大，0.60倍风轮半径处变形增长速度明显提高。叶片等效应力集中区位于大梁和前缘侧交界处，最大值出现在60°方位角下0.78倍风轮半径处，同时在风轮高度方向上呈非对称分布。     

几何约束条件下海上风电场布局优化方法研究

考虑实际工程需求,开发一种几何约束条件下海上风电场智能布局优化方法。该方法使用Gaussian模型计算风力机尾流区的速度亏损,并以最大化风电场年发电量为目标采用差分进化算法进行优化,可满足海上风电场布局时的各类几何约束。利用该方法分别在3行、4行、7行几何约束下对中国某海上风电场的风力机排布方式进行优化。结果显示,相比于原始布局方案,在考虑海缆铺设成本增加的情况下布局优化方案可提升风电场年发电量2.13%～2.64%。进一步分析表明,布局优化过程中可行解数量的设置需综合考虑智能算法寻优难度的影响。     

基于CFD方法对某风电场机组布局经验的数值分析

文章针对量化风电场布局模式下风力机的运行状态进行流动数值模拟,验证了传统定量化风电场布局模式的合理性,并给出了实施进一步优化的方向。流动数值模拟采用Navier-Stocks控制方程求解器,粘性计算采用RNG k-ε湍流模型。数值模拟结果显示,传统风电场布局下各风力机尾迹区间隔较远,功率输出与单机状态差异微弱。在验证了经典风电场布局模式正确性的同时,说明该布局形式中各风力机间隔较远、总体占地面积偏大,仍有进一步优化的空间。与经典的WAsP量化风电场布局方法相比,采用流动数值模拟方法,能够更好地获得整个风场的流场特征及各风力机间的互相干扰情况,为风电场布局的优化设计提供理论依据,并进一步提升风电场的运行效益。     

基于场级偏航控制的风电场尾流敏感性分析

偏航偏转控制有利于减小风机尾流效应,通过场级偏航协调优化减小尾流损失,可使风电场总发电量达到最大化。采用FLORIS尾流代理模型,以各风机偏航角为优化对象,风电场总功率最大为优化目标,进行场级偏航寻优。针对不同风机间距、纵列个数、湍流强度、来流风速和来流风向等多个维度,对比分析了偏航优化对尾流损失及功率提升的敏感性。结果表明：当风电场排布间距小于5D、风机纵列大于3台且仅需优化前5排、纵列机位连线与风玫瑰图主频风向夹角小于15°、风场湍流小于0.1、来流风速位于风机“切入风速+2 m/s”至“额定风速+2 m/s”区间时,场级偏航控制对于尾流优化效果最佳;若仅采用单机偏航控制风向,前排风机保留3°～5°偏航误差有利于风电场整体的发电收益。     

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。     

考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构风致疲劳寿命评估

针对风向对风力机塔筒疲劳产生影响的问题,基于实测数据对考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构的风致疲劳寿命展开研究。首先结合甘肃安西地区37 a的实测风速风向数据,给出风速风向联合概率分布。然后利用主S-N曲线法分别对不同风向和不同风速下风力机塔架结构法兰及门洞区域的响应规律进行分析。最后考虑风速风向联合概率分布,对风电塔筒结构风致疲劳寿命展开研究。结果表明：门洞朝向与风轮朝向的夹角变化和风速的改变均对风电塔筒的风致疲劳寿命有一定影响,其中门洞朝向与风轮朝向夹角为225°时疲劳寿命最长,风速为10~14 m/s时疲劳寿命变化幅度最大;考虑风速风向联合概率分布能更准确地计算风力机结构的风致疲劳寿命,且以此为依据对门洞朝向进行调整可延长其疲劳寿命,因此建议对风电塔架进行设计时,应考虑风电场所在地区的风速风向联合概率分布。     

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CFD和NCPSO的复杂地形风电场微观选址优化

针对复杂地形条件下风电场微观选址技术难度大的问题,提出一种基于数值计算结果和高效优化方法的微观选址优化算法。将测风数据按风向等分成12个扇区,并利用平均风速和CFD对复杂地形的每个扇区进行数值模拟,得到风电场各扇区的风资源分布,提取轮毂高度处的风速和风向分布。优化中风力机的尾流影响采用Jensen尾流模型,风电场风能计算中风速按照威布尔分布处理,并考虑每个扇区风速的大小、概率密度。目标函数为整个风电场的输出功率倒数的对数,自变量为风力机在给定风电场中的位置坐标,约束条件为地形边界和风力机之间的最小距离,优化算法采用该文提出的改进小生境粒子群算法(NCPSO),优化风力机组微观选址的最优解。该文提出优化算法得到的结果与基于高度的经验布置方法(EX-TH)、基于风能密度的经验布置方法(EX-PH)以及普通粒子群算法(PSO)进行比较,证明在复杂地形条件下所提出方法的可靠性与有效性,并可应用于工程实践。     

双风力机风向变化时尾流及阵列数值研究

为有效利用风力资源和土地资源,使风力机间的尾流影响降到最低,采用Fluent 6.3软件,对不同排列情况下固定距离的两台风力机进行了数值模拟,通过比较单机风力机及不同角度布置下两台风力机的输出功率和流场分布,对风力机间相互影响造成的功率损失进行了分析.结果表明：运行中的风力机相互之间存在尾流互扰现象,导致下风向风力机功率损失;串列布置时,下风向风力机叶轮对上风向转子的发散状尾流具有收敛作用,由于受其尾流影响,功率明显降低;随着风向发生变化,下风向风力机移出上风向风力机转子尾流阴影,其功率逐渐增加,所以机组间距离须与当地盛行风向变化范围成正比.     

海上风电场运行期尾流损失分析

  [目的]  为了充分认识海上风电场运行过程中的尾流效应,对风电场布局设计中的模拟计算结果进行验证,探索海上风电场的风机尾流损失变化规律。  [方法]  以华南地区某海上风电场为测试场址,选用PARK模型进行尾流模拟计算,对模型中的参数进行优化并进行实际发电量验证。  [结果]  结果表明:PARK模型用于海上风电场尾流模拟可以基本反映风机实际发电情况;在某风向上风机间距为7D情况下,主风向尾流损失在第2排后的分布规律呈现较为稳定的状态,约为首台风机的30%。  [结论]  PARK尾流模型能够较好的模拟近海风电场尾流损失和进行发电量计算,模型参数选择应根据项目实际情况进行敏感性测算。     

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。     

基于动网格对风力机尾流的数值模拟

为了更真实地分析风机尾流流场,尽量减小尾流影响,提高风电场输出功率及效益,提出一种利用动网格技术进行风场优化的新方法。针对1.5 MW风力机叶片旋转区域进行动态网格化求整个流道内的尾流场,同时利用CFD方法与致动盘理论相结合的方法对单个风力机远尾迹区的流动状况进行数值模拟。利用两种计算方法对单台风力机的尾流区域进行计算,获得单台风力机尾流中风轮中心的轴向速度分布及风力机下游不同位置处的流场分布,并与改进Jenson模型结果进行对比分析,表明该动网格方法能较好地捕捉尾流的流场特性,由于新的尾流计算模型考虑叶片真实旋转对尾流影响,准确捕捉风机尾流中产生大小不同尾漩涡,合理捕捉尾流恢复率及尾流半径的变化规律,因此可作为工程开发有效工具,为分析风机尾流流场及风电场风机布置提供一定参考。     

大气湍流稳定度对风力机尾流影响的模拟研究

利用Agel-TDM风力机动力模型,模拟分析不同湍流状态下单台风力机尾流的空间特征。研究结果表明:随着大气湍流稳定性增强,在水平方向上风力机尾流效应减弱,即风力机尾流距离减小;在铅垂方向,动量垂直输送加快,增强了风力机下游风速的恢复速率,风电场的实际出力能力提高。     

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。     

计及能量掺混的风电机组尾流叠加模型研究

风电机组可能受上游多台机组尾流共同影响,工程中一般应用叠加模型来模拟这种尾流叠加效应。尾流区与周围大气的能量掺混导致了尾流恢复,目前常用的尾流叠加模型无法体现这个效应。应用一维动量理论计算风电机组尾流区从周围大气吸收的能量,在能量守恒叠加模型的基础上,通过补充这部分掺混能量对其进行修正,从而提高了尾流场模拟精度。在Lillgrund海上风电场应用能量掺混叠加模型,流场模拟结果与实测数据对比表明,该模型可以准确模拟风电场内机组功率变化趋势,且相较于传统模型计算精度更高,对风电场发电量计算具有一定的参考价值。