基于改进的Jensen模型尾流数值模拟研究

为提高垂直方向尾流速度的预测精度，基于尾流速度在垂直方向呈现多项式分布的假设，考虑不同高度自然风速对尾流速度的影响，提出一种改进的Jensen尾流模型。以单台风力机作为研究对象，采用Jensen模型、高斯模型和改进的Jensen模型分别对风力机尾流速度进行数值模拟，并基于改进的Jensen模型分析大气稳定性对尾流速度恢复的影响。仿真结果表明，改进的尾流模型精度优于Jensen模型和高斯模型，在下游2.5D、4.0D和8.0D(D为风轮直径)距离处的误差低至7.35%、2.82%和3.44%。尾流速度恢复和大气稳定性密切相关，越稳定的大气层湍流强度越小，越不利于尾流速度恢复。     

改进风力机三维尾流模型及其风速预测准确性研究北大核心CSCD

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。     

基于Frandsen尾流半径假设的风力机尾流模型研究

在Frandsen非线性尾流半径假设的基础上,推导得出考虑环境湍流强度和风力机推力系数影响的Frandsen高斯修正尾流速度模型,并提出Frandsen双高斯湍流强度模型。以600 kW单风力机为案例,通过开展风洞试验和大涡模拟2种研究手段验证2个修正模型的预测效果。结果表明,Frandsen高斯修正尾流速度模型在径向尾流上预测效果更好,模型平均误差下降至7%,优于Frandsen速度模型。Frandsen双高斯湍流强度模型则能更好反映实际湍流强度在尾流场的变化特征。2种修正模型均比传统模型具有更好的预测效果,为风力机设计提供了新的尾流模型。     

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。     

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。     

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。     

基于大涡模拟的风力机尾流湍流特征的研究

采用大涡模拟法(LES)对自行开发设计的100 W小型水平轴风力机在来流风速为8 m/s、湍流强度为0.4%时的尾流进行数值模拟计算,计算中提取流场稳定后的x、y、z 3个方向的瞬间速度、压力等参数的600个数据样本,计算得到尾流(1≤y/d≤20)内轴向速度和湍流强度的均方根值,分析风力机尾流内时间平均轴向速度、湍流强度及涡结构等的特征。结果表明:在y/d=5风轮下游位置,轴向速度亏损仍很严重,仅约为来流风速的50%。且在y/d≤5的范围内尾流宽度均略大于风轮直径,尾流膨胀现象不明显。一直到y/d17以后的位置,尾流效应才开始变得不明显;与来流的低湍流特性相比,尾流内的湍流强度大幅提高,在y/d=5位置,湍流强度达到最大,最大湍流强度值为来流湍流强度的30倍,且在近尾流区域存在的4个湍流峰值分别对应叶片的叶尖和叶根位置。     

风力机远尾流速度型建模

通过研究风力机尾流速度型的分布形态,引入二项分布方程并将其转化为高斯分布方程,基于Garrad Hassan的风力机尾流实验,建立一个预测风力机远尾流速度型的工程模型。按照建模的实验条件,对引入致动盘方法的流场求解附带可实现k-ε湍流模型的轴对称不可压Navier-Stokes方程,对比分析CFD计算结果和建模结果。通过与实验结果和CFD结果的比较分析,验证本风力机尾流模型的有效性。     

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。     

基于激光雷达扫描数据的湍流强度影响下风力机尾流特性研究

以张家口市某风电场作为实验场地,利用激光多普勒雷达(WindMast WP350和Wind 3D6000分别扫描风力机的来流和尾流)对风力机的尾流以及风场风况进行测量,并分析湍流强度变化以及探究湍流强度对风力机尾流特性的影响。研究发现,随时间改变的大气环境对湍流强度的影响较为明显,而高度对湍流强度的影响较小;湍流强度对风力机尾流有较大影响,湍流强度越大,则尾流恢复越快且尾流宽度和深度越小;随着沿轮毂中心轴向距离的增加,尾流速度衰减在尾流发展4D～6D(D表示风力机直径长度)后加速下降。     

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。     

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。     

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。     

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.     

基于修正湍流模型的致动盘方法研究

针对现有致动盘模型高估尾流速度的问题,对动量源项进行修正,以正确反映风轮对来流的作用;对湍流模型进行修正,在标准k-ε方程中添加湍流动能源项和耗散率源项,使湍流动能的生成和耗散相互协调;修正耗散率源项系数,使其沿径向服从抛物线分布。选取风洞实验数据对模型进行验证,并对串列和错列排布下的尾流流场进行分析。结果表明:串列排布时尾流的速度损失和湍流强度均增加,并随间距的增大而减小;错列排布对尾流湍流强度的影响大于对速度的影响,下游尾流会出现湍流强度不对称现象,横向间距为1D时最为严重,横向间距为4D时仍可观察到不对称现象。     

NREL 5 MW风力机气动特性的数值模拟研究

以NREL 5 MW风力机为研究对象,忽略风轮的仰角和锥角,采用CFD数值模拟方法并选用SST湍流模型研究均匀来流条件下不同风速时风力机的输出功率,并与FAST软件的计算结果进行比较。分析叶片展向不同截面的压力分布和径向速度流场,讨论风力机尾流场速度和湍动能的变化规律。研究结果表明,沿着叶片展向自叶根至叶尖,吸力面压力逐渐降低,低压区覆盖面积逐渐增大;压力面压力逐渐升高,前缘与尾缘附近压力增幅较大。风穿过风轮能量被大量吸收,风轮对来流的阻塞作用主要集中在近尾流区。风轮后随着流体从近尾流区运动到远尾流区湍动能逐渐减小。     

湍流强度对水平轴风力机尾迹速度恢复影响机理的实验研究

为研究湍流强度对风力机尾流速度恢复的影响,采用高频PIV对均匀来流和格栅入流时风力机下游尾流数据进行采集。通过对比轴向速度、径向速度及雷诺剪切应力发现:均匀来流时轴向速度分层现象明显;叶尖涡将主流卷吸进入尾流区,但无法穿透附着涡区,附着涡相当于一个隔离带;雷诺剪切应力集中在叶尖涡和中心涡区,附着涡区基本为零。格栅入流时下游2.5倍风轮直径处尾流与主流基本融合,主流径向掺混从叶尖涡穿过附着涡渗透到中心涡区;剪切应力在中心涡和叶尖涡区明显增大,附着涡区存在正的峰值,且附着涡区成为叶尖涡和中心涡区的一个动量输送带。相关结论可为风电场优化布局提供指导,有助于揭示湍流强度影响风力机出力和速度亏损的原因。     

兆瓦级风力机结构系统可靠性分析的样本分数阶矩最大熵方法

以兆瓦级风力机塔架和叶片极限载荷的概率外推模型为基础,结合载荷动态响应峰值的独立同分布假设和三参数威布尔模型,外推获取了正常湍流和极端湍流强度条件下风力机关键部件长期服役载荷概率分布;进一步通过无量纲极值统计量定义系统失效的结构可靠性状态函数,结合样本分数阶矩和最大熵理论提出兆瓦级风力机关键部件结构可靠性分析的数值方法,对比湍流模型对兆瓦级风力机关键部件结构失效概率的影响。计算结果表明：样本分数阶矩最大熵方法能有效重构结构可靠性状态函数的概率分布;基于无量纲极值统计量的系统可靠性建模方法能有效表征风力机关键部件耦合相关失效问题,结合该文方法可获得系统失效概率的准确预测结果;湍流模型对风力机结构失效概率影响较大,难以预先判定何种模型将得到结构失效概率的保守预估结果,需结合IEC 61400-1标准中的设计载荷工况细致分析后才能确定。     

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。     

反转叶轮风力机非定常尾流对下游环境的影响

针对传统单转轮风力机设计,研发了用于减小湍流尾流影响、抗台风的新型两级双转轮风力发电机组,探讨了风力机非定常尾流对下游环境的影响,井设定了一个包括地面境界层在内的大空间计算域进行离散数值解析.研究结果表明,两转轮在不同转动位置时压力分布呈规律性动态变化,湍流影响比传统单轮小,动力特性好.