一种新修正的风电机组尾流分析模型

基于尾流区线性膨胀、径向风速损失呈高斯分布的假设,在BP模型基础上建立一种新修正的风电机组尾流分析模型。该模型针对BP模型无法对近尾流区进行分析的问题,基于质量守恒原理求解近尾流区速度损失分布;通过大涡模拟数据拟合,对BP模型中速度损失标准差方程进行修正,提升了模型在不同地表粗糙度下的计算精度。采用大涡模拟数据对多种工程尾流模型的计算结果进行比较。结果表明,相比于Jensen、Frandsen和BP模型,该模型能更好地预测全尾流范围的径向速度分布,并且具有更高的计算精度。     

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。     

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。     

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。     

基于SCADA数据海上风电场解析尾流模型可靠性与尾流叠加研究北大核心CSCD

针对工程中常用的解析尾流模型适用性及精确度存在较大不确定性的问题,文章利用国内某海上风电场运行的SCADA数据,分别对Jensen模型、Frandsen模型和Gaussian模型等主要解析尾流模型进行可靠性验证和分析。在此基础上,提出了更加适用的尾流模型参数选取方案,参数修正后的Gaussian尾流模型的评估精度提升约50%。此外,为了分析海上风电场的尾流叠加特性,文章采用场内实测数据进行分析,并与工程尾流叠加模型计算结果进行对比,结果表明,工程尾流叠加模型仍存在一定改善空间。     

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。     

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。     

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。     

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。     

地形图精度对复杂地区风电场计算结果的影响

主要研究了地形图精度对复杂地区风电场年净发电量和尾流值计算结果的影响,通过对典型风电场应用不同精度的地形图和尾流模型的计算分析,得出地形图精度对于风电场年净发电量和尾流值影响的初步规律,通过计算分析得出如下结论：不同的尾流模型对于地形图精度的敏感度不同,利用PARK尾流模型计算出的风电场年净发电量最大;不同精度的地形图对于复杂风电场年净发电量和尾流值的影响都不大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。