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。     

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。     

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。     

垂直轴风力机三维尾流模型的研究

基于流量守恒,提出一种H型VAWT的三维解析尾流模型,该模型考虑了风切变效应,并采用多元高斯分布。首先,通过风洞试验及大涡模拟数据进行模型验证,结果表明在x/D> 3的远尾流区,横向剖面的相对误差小于2%,垂向剖面的相对误差小于3%。然后,从下游4个位置(x/D=3、6、9、12)、3种推力系数(C_T=0.6、0.7、0.8)、4种风切变指数(α=0、0.1、0.15、0.2)、两种湍流强度(I₀=5%、8.3%)下演示了一系列预测结果,结果显示该文模型能有效地描述尾流风速的空间分布。由于考虑了高度影响,该模型可用于风力机轮毂高度的优化及风电场的布局优化,有利于提高风电场的功率输出。     

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。     

水平轴风力机尾流特性的数值研究

对600kW单风轮和7倍风轮直径(7D)间距的两风轮水平轴风力机在不同来流风速条件进行三维流场数值模拟.结果显示:风力机下游流场存在三维速度流动,轴向速度在尾迹区存在明显亏损,且随尾迹向下游的发展,轴向速度亏损逐渐减少.不同来流风速条件下风轮尾迹流的发展有一定区别,在来流风速较低的条件下尾流风速恢复较快.风场在布置风力机时应考虑当地的风速条件,若多数情况在额定风速或超过额定风速工况下运行,则前后风轮间距应大于7倍风轮直径;否则可考虑缩短前后风轮间距.     

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。     

立轴风力机速度干扰系数

将双重多流管模型中速度干扰系数的计算问题转化为极值问题，然后利用多级ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法求解，不仅收敛速度快，且对初始值的选取影响小。     

沿海滩涂风力机近尾流风速分布特性研究

为获得风力机近尾流风速在垂直方向和水平方向的变化规律,提出一种测量风力机近尾流区风速的实测方法。针对某沿海滩涂风电场,采用2台搭载风速仪的无人机对近尾流区进行测量。结果表明：垂直方向,尾流和来流风速比值在1.0D~2.5D处（D为风轮直径）随着高度的增加呈先减小后增大的趋势,在轮毂中轴线处存在最小值0.53~0.68;风速比值沿轮毂中轴线呈非对称分布。0.5D处风速比值分别在上下风轮处存在2个极小值0.56和0.50。水平方向,风速比值在1.0D~3.0D处沿径向距离从左向右呈先减小后增大的趋势,在轮毂中轴线处存在最小值（0.54~0.78）;风速比值沿轮毂中轴线呈对称分布,随着风轮下游距离的增加呈扩张趋势。最后给出用于A类风场风力机下游尾流风速剖面的预测公式。     

风力机尾流对风轮气动载荷影响的研究

为研究风电机组尾流对下游风电机组载荷的影响,根据已有的理论研究结果,假设几个重要尾流参数:上下游风电机组间距、上游风电机组推力系数、自然风速等。采用GH Bladed软件,在FL1500/70双馈式兆瓦风电机组上建模,并进行尾流计算。使用Matlab软件,对计算结果数据进行频谱图生成,用Bladed对计算结果进行后处理。所得结论为:机组间距减小,载荷稳定性降低,极限载荷增大;推力系数增大,载荷稳定性降低,极限载荷增大,但一般低于无尾流情况;自然风速增大,载荷主频增大且趋于0.3 Hz,载荷稳定性提高,载荷对其他参数的变化的敏感度上升。通过仿真分析,给出降低风电机组尾流影响的建议。     

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.     

风力机叶片的三维建模

介绍了应用UG和GAMBIT软件进行三维风力机叶片建模的方法和具体过程,提出了在叶片建模中需要遵循的原则,并给出了三维模型实例。     

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。     

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.     

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。     

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。