復(fù)雜地形風(fēng)資源特性的數(shù)值模擬研究.pdf

1、在風(fēng)場的微觀選址工作中，首先要計算風(fēng)電場的風(fēng)資源，然后根據(jù)風(fēng)資源計算結(jié)果排布風(fēng)力機。風(fēng)資源分布的計算結(jié)果越貼近風(fēng)資源實際分布狀況，越有利于合理地布置風(fēng)力機。正確的風(fēng)資源分布計算可以最大限度地利用風(fēng)能、規(guī)避不良流動區(qū)域保證風(fēng)力機運行壽命。如今越來越多的風(fēng)電場建設(shè)在復(fù)雜地形上，這里的空氣流動狀況非常復(fù)雜。這給風(fēng)電場的風(fēng)資源計算提出了挑戰(zhàn)，因為傳統(tǒng)的基于線性模型的風(fēng)資源計算方法不適用復(fù)雜地形。相對于線性方法，基于非線性模型的CFD計算方法可以

2、很好地再現(xiàn)流體繞流復(fù)雜幾何的流動狀況。而基于該方法的風(fēng)資源計算方法將更好的捕捉風(fēng)電場中風(fēng)資源的實際分布。因此，開展復(fù)雜地形風(fēng)電場的CFD數(shù)值模擬研究對合理開發(fā)復(fù)雜地形風(fēng)電場具有非常重要的意義。
　　為了把CFD方法運用到風(fēng)電場風(fēng)資源計算和風(fēng)資源特性分析中去，論文工作首先以平板地形和Askervein山為研究對象，確認了一套適用于復(fù)雜地形RANS模擬方法。在該方法的基礎(chǔ)上，提出了一套風(fēng)資源計算方法。方法中包括復(fù)雜風(fēng)電場地形處理、計算

3、域生成、多風(fēng)向CFD模擬結(jié)果綜合、流場分析等諸多問題。之后針對復(fù)雜地形中存在的非定常流動問題，將DES模擬方法運用到復(fù)雜地形模擬中去。先以方體繞流問題作為方法的確認，之后對Bolund島進行了模擬，探索復(fù)雜地形中的流動特征和DES模擬方法的數(shù)值特性。
　　與一般的工業(yè)問題相比，風(fēng)電場近地面的流動總是充分發(fā)展的湍流邊界層流動。為了把已廣泛應(yīng)用于工業(yè)問題分析的帶有壁面函數(shù)的k-ε湍流模型用于復(fù)雜地形地貌風(fēng)電場大氣流動的數(shù)值模擬，首先以

4、平板地形為幾何模型，探索湍流模型、湍流粘性閥值、第一層網(wǎng)格高度、計算域邊界條件類型等對模擬沿流動方向均勻大氣邊界層的影響。然后采用合適的湍流模型參數(shù)對Askervein山進行模擬并與實驗測風(fēng)數(shù)據(jù)比較，驗證模型參數(shù)的合理性。
　　為把上述方法用于復(fù)雜地形地貌風(fēng)電場的風(fēng)資源評估和微觀選址中去，首先提出一種計算域生成方法。該方法將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、差值方法和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)搜索方式相結(jié)合，把測繪數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)組合處理生成按風(fēng)向的計算域和網(wǎng)格。之后以南

5、澳島風(fēng)電場作為研究對象，采用不同入口風(fēng)速對數(shù)輪廓對其進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場中的風(fēng)加速與湍流強度基本上不隨來流條件發(fā)生變化。之后在中性大氣條件假設(shè)下，以30度風(fēng)向為間隔，共12個風(fēng)向，對風(fēng)電場區(qū)域進行數(shù)值模擬。基于以上規(guī)律和多方向計算結(jié)果，并結(jié)合全年測風(fēng)數(shù)據(jù)評估風(fēng)電場的風(fēng)資源分布狀況，建立了一套風(fēng)資源評估的數(shù)值模擬及后處理方法，為工程實際提供了有力參考。
　　復(fù)雜地形的流場結(jié)構(gòu)極端復(fù)雜，有時帶有鮮明的非定常流動特征。為了把帶有壁面

6、函數(shù)的DES模擬方法用于復(fù)雜地形風(fēng)電場的數(shù)值模擬，先對數(shù)據(jù)豐富的方體繞流問題進行DES模擬，作為方法的確認。研究了雷諾數(shù)ReH=40000時處于完全發(fā)展湍流邊界層中的方體繞流。分析討論了中垂面上物理量和流場以及DES模擬結(jié)果的數(shù)值特征。DES模擬結(jié)果捕捉到了方體前復(fù)雜的馬蹄渦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其演化過程。馬蹄渦系統(tǒng)由發(fā)展渦、主渦、壁角渦以及它們之間的一系列反向旋轉(zhuǎn)的誘導(dǎo)渦構(gòu)成。提出了在馬蹄渦系統(tǒng)發(fā)展變化過程中，新發(fā)展渦不是在馬蹄渦系統(tǒng)上游獨自形