風力機尾流數值模擬及風電場機組布局優(yōu)化研究.pdf

1、風經過旋轉的風輪時由于部分動能被吸收轉化為機械能，風力機下游出現風速下降、湍流強度增加等現象，這被稱為風力機的尾流效應。前人的研究報告中指出，在當前投產運營的風電場中，尾流效應會導致風電場發(fā)電功率降低15％~50%不等。因此，深入研究風力機尾流效應具有重要意義。微觀選址工作是風工程項目運營的前提和基礎，在開展風電場微觀選址工作時，應合理布置各風力機的位置，盡量避開風力機尾流的影響，提高風電場的風能利用率和綜合經濟效益。近年來，隨著風能產

2、業(yè)的蓬勃發(fā)展，一些地形復雜的風電場開始投產運營。復雜風電場的地形起伏變化較大、影響因素眾多，增大了復雜地形風電場微觀選址的難度。本文圍繞風力機尾流數值模擬、平坦地形風電場微觀選址、復雜地形風電場流動分布及其機組布局優(yōu)化等方面開展了如下研究工作：
　　（1）提出適用于風力機尾流數值模擬的修正AD/RANS方法，并對其計算精度、魯棒性和通用性進行測試。本文結果和前人的研究結果一致表明，當采用Actuator Disc（廣義致動盤，簡稱

3、AD）方法結合RANS模型（這二者的結合為AD/RANS）模擬風力機尾流時，得到的尾流流場與實驗結果存在一定的誤差。于是，依據AD方法的簡化思想、RANS湍流模型的特點、大氣邊界層的屬性等，分析誤差的來源，基于扎實的理論依據對湍流模型提出修正，發(fā)展了兩種適用于風力機尾流預測的修正AD/RANS方法。通過單臺風力機尾流、兩臺風力機混合尾流、多臺風力機混合尾流和偏尾流等情況的數值模擬，結果表明本文發(fā)展的修正AD/RANS方法表現較好、計算精

4、度較高，可作為一種基于CFD的數值方法，應用于風力機尾流流動機理的研究。
　　（2）基于風工程領域廣泛使用的Jensen尾流模型（PARK尾流模型），發(fā)展一種較高精度的2D_k Jensen尾流模型。受制于目前的計算資源，在風工程領域應用較為廣泛的依然是一些工程尾流模型。針對經典Jensen尾流模型存在的精度不足問題，提出一種更能準確反映風力機尾流流場分布情況的模型—2D_k Jensen尾流模型。通過近十個數值算例的驗證，表明2

5、D_k Jensen尾流模型不管是對風力機尾流中速度分布和湍流強度分布的預測還是對風電場發(fā)電量的評估，都表現了較好的計算性能。由此可以推測，該方法可應用于風電場微觀選址工作，為開發(fā)商提供較為準確的風電場特征數據。
　?。?）針對平坦地形風電場開展機組布局優(yōu)化研究?；谇拔乃l(fā)展的可靠尾流模型—2D_k Jensen尾流模型評估風電場發(fā)電量，基于更貼近現實的成本模型評估風電場項目成本，采用高效率的優(yōu)化算法和多樣的優(yōu)化策略對平坦地形風

6、電場機組布局問題進行優(yōu)化運算。結果中給出幾組較優(yōu)的機組布局圖和各布局所對應的風電場特征參數供決策者根據需求進行選擇。該工作對于現實中的平坦地形風電場微觀選址工作具有一定的參考價值。
　?。?）開展復雜地形風電場的流動分布及機組排布優(yōu)化研究。建立復雜地形幾何模型，研究復雜地形風電場周圍的流動發(fā)展和變化規(guī)律。針對復雜地形風電場的微觀選址工作，研究目前常用的解耦算法（分別計算尾流效應和地形效應然后將二者的結果線性疊加）與常規(guī)的耦合計算方