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。     

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。     

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。     

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。     

基于Park-Gauss模型的风场尾流数值模拟

基于Park模型尾流区线性膨胀假设和径向风速呈高斯分布假设,提出一种新型工程尾流模型Park-Gauss模型,对单台风力机尾流场进行数值模拟研究。采用两种初始尾流半径(风轮半径和紧靠风轮下游处的尾流半径),分别对Park模型、2D Jensen模型以及Park-Gauss模型进行对比研究。经过与风场实测数据和风洞试验的比较,结果表明:以紧靠风轮下游处的尾流半径作为初始尾流半径会明显提高尾流场的预测精度;新提出的ParkGauss模型计算精度优于2D Jensen模型和Park模型;Park-Gauss模型可很好模拟尾流区的风速,不仅在精度上与试验结果接近,而且在径向分布上也更符合真实流场。     

风力机垂直交错对下游风力机性能的影响研究

为降低上游风力机尾流的影响、优化风场布置,在两台串联的NERL 5 MW水平轴风力机中间安装1台小型的垂直轴风力机,形成垂直交错风场。采用FLUENT软件对串联风场和垂直交错风场进行数值模拟,对比两种风场的输出功率与流动特性。同时,改变垂直轴风力机的安装位置,分析其与下游风力机的距离对垂直交错风场的影响。结果表明：当风力机串联布置且为标准间距7D(D为风轮直径)时,下游风力机受上游风力机尾流影响仍然很大,输出功率下降57.1%;串联风场中加入垂直轴风力机加快了相应垂直交错风场尾流的恢复,提高了下游风力机的输出功率;垂直交错风场中垂直轴风力机安装距离为1D～6D时,可以在上游风力机功率变化不明显的情况下提高下游风力机的输出功率;当安装距离为6D时,下游风力机提高功率最高,比串联风场增加了40.1%。     

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。     

两种新修正工程模型对多台风力机尾流数值模拟分析

基于Park模型尾流区线性膨胀假设、径向风速呈高斯分布和多项式分布假设,提出两种新的修正工程尾流模型Park-Gauss模型和Park-polynomial模型,并对两台风力机全尾流和偏尾流效应进行数值模拟研究。分别对Park模型、2D Jensen模型、Park-Gauss模型以及Park-polynomial模型进行对比研究。经过与LES数值结果比较,结果表明,新修正的Park-Gauss模型可很好模拟全尾流效应,其计算精度要优于Park模型、2D Jensen模型以及Park-polynomial模型;Park-Gauss和Park-polynomial模型均能比较好地模拟偏尾流效应,但Park-polynomial模型更优于前者;两种新的修正工程尾流模型在精度上不仅与LES结果接近一致,而且在径向分布上也更符合真实流场。     

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。     

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。     

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。     

基于致动线和大涡模拟的不同入流风况下的风力机尾流特性研究

风力机的尾流效应是风电场规划与设计中需要考虑的重要因素之一,准确评估风电场的尾流效应对于风电场微观选址、保障机组运行安全、提高风电场经济效益有着重要的意义。文章以NREL 5 MW风力机为对象,基于致动线和大涡模拟方法,研究其在均匀入流和切变入流等不同风况下风力机的尾流特性,入流风况分别为在不同风速下的均匀大气入流和在不同地表粗糙度情况下的切变大气入流。研究结果表明:入流风速增大,尾流区螺旋状叶尖涡的涡间距增大,尾流速度恢复的距离越长;地表粗糙度长度增加,在塔筒竖直方向内相同高度对应的风速减小,导致塔筒产生的阻力减小,风力机塔筒形成的涡更容易发生脱落和破裂,进而导致脱落涡的涡量值增加。研究结果有助于准确地理解风力机尾流发展变化规律,为风电场微观选址、风力机功率预测等工作提供理论支持。     

考虑纵摇工况的漂浮式海上风机尾流特性数值研究

海上风-浪-流的存在使得海上风力机平台会产生六个自由度方向的运动。为研究纵摇运动对海上风力机尾流特性的影响,基于OpenFOAM平台,采用RANS方法的k-ε模型和重叠网格技术,考虑风剪切来流和简化的漂浮式平台六自由度运动条件,对纵摇状态下的风力机尾流进行数值研究。研究结果表明,纵摇工况下的风力机尾流恢复速度更快,且尾流恢复速度会随着纵摇运动的频率和幅值增加而增加。当纵摇运动的振幅较小时,近场尾流的风速恢复会受到一定的影响,而对远场尾流影响不大;当振幅较大时,纵摇运动会加速全部尾流区域的风速恢复,并出现更为明显的扩散现象。研究结果对揭示漂浮式海上风电机组纵摇运动下尾流产生和扩散的机理有一定的意义,为完善漂浮式海上风电场尾流损失模型提供了一定的物理基础。     

基于SCADA数据的风电机组群尾流效应计算与验证研究

准确评估风电机组尾流导致的发电量损失是风电场设计的重要环节。基于高斯尾流模型,根据动量守恒,引入有效风速衰减计算叶轮面内风速衰减,利用国内某海上风电场SCADA数据,从径向和轴向尾流损失分布两方面进行验证和分析。结果表明,高斯有效风速衰减尾流模型模拟的尾流分布更符合实测尾流损失规律,径向和轴向模拟结果与实测结果相关性超过0.92,有效风速衰减法的精度比叶轮中心风速衰减法提升30%～40%;与Jensen和Frandsen模型相比,高斯有效风速衰减尾流模型的表现更为稳定,有效风速衰减法提高了高斯模型计算精度,更适用于风电场产能评估。     

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。     

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.     

基于图神经网络的非均匀风电场功率预测方法

针对现有的非均匀风电场发电功率预测方法准确度不高、可解释性差等问题，提出一种改进的物理引导的图神经网络（IPGNN）模型来预测非均匀风电场的发电功率输出。首先，构建一个基于三维高斯尾流模型的物理信息基函数，可更准确地反映非均匀风电场中风力机之间尾流相互作用的关系；其次，设计一组基于消息传递框架的图神经网络更新策略，该策略在图神经网络边缘更新中结合注意力机制将物理信息基函数作为权重更新函数，可增强模型的可解释性。在不同数量风力机下的非均匀风电场仿真实验表明，相比于基于一维尾流模型的PGNN模型和典型的数据驱动模型，IPGNN模型均可获得较好的预测效果，其中对具有20台风力机的非均匀风电场，发电功率预测平均绝对误差为3.92%，可认为是一种有效的非均匀风电场发电功率预测方法。