風力機尾流效應數(shù)值模擬研究.pdf

1、風力機尾流模型的計算精度、大氣邊界層的穩(wěn)定性等都會影響尾流區(qū)風速分布，進而影響風電場發(fā)電總量的評估。風電場前期建設中對發(fā)電總量的評估是微觀選址的重要依據(jù)之一，評估精度直接會影響風力機組的布局優(yōu)化。風力機組間尾流相互干擾，會降低風電場的風能利用效率，從而影響風電場的整體經(jīng)濟效益，因此針對風力機尾流展開深入的研究是具有重要意義的。本文主要基于Park模型尾流區(qū)線性膨脹假設，對其進行進一步修正，假定徑向風速呈多項式和高斯分布特征，分別提出了兩

2、種新的修正工程尾流模型Park-Polynomial和Park-Gauss模型?；谶@兩種新修正的工程尾流模型和基于開源軟件OpenFOAM的致動盤模型，對風力機尾流效應開展研究；此外，還引入并大氣邊界層穩(wěn)定性對風力機尾流的影響。之后，基于前期提出的工程尾流模型開展大氣邊界層穩(wěn)定性對風電場微觀選址優(yōu)化的影響研究。以下是詳細的研究工作內(nèi)容：
　　首先，開展對單臺風力機尾流數(shù)值模擬研究。采用兩種不同的數(shù)值模擬方法模擬單臺風力機尾流。第

3、一種方法是基于開源軟件OpenFOAM，通過CFD計算對風力機尾流展開研究，采用致動盤模型(ADM)，并選用k??SST湍流模型對單臺風力機尾流場進行數(shù)值模擬。第二種方法是通過提出的兩種工程尾流模型Park-Polynomial和Park-Gauss模型對單臺風力機尾流開展數(shù)值模擬研究。結果表明：ADM可以較好的模擬單臺風力機尾流場信息，其近尾流區(qū)風速恢復速度要快于幾種工程模型；新修正的兩種工程模型都可以很好的模擬單臺風力機尾流區(qū)的風速

4、；Park-Gauss模型整體性能相比于其他幾種工程模型是最好的，其在精度上不僅與試驗結果接近一致而且在徑向分布上也更加符合真實流場。
　　其次，開展對多臺風力機尾流效應數(shù)值模擬研究。該部分工作主要內(nèi)容是用兩種不同的計算方法對多臺風力機全尾流、偏尾流進行數(shù)值模擬研究。第一種方法是基于開源軟件OpenFOAM，通過CFD方法計算，并選用ADM+k-ωSST湍流模型對多臺風力機全尾流和偏尾流進行數(shù)值模擬。第二種是用兩種新修正的工程尾流

5、模型Park-Polynomial和Park-Gauss模型，對多臺風力機全尾流和偏尾流開展數(shù)值模擬研究。結果表明：ADM可以很好的對多臺風力機組全尾流效應和偏尾流效應數(shù)值模擬；新修正的Park-Gauss模型可以很好的模擬全尾流效應尾流區(qū)風速；模擬偏尾流效應，Park-Gauss和Park-Polynomial模型都能比較好的模擬尾流場，但Park-Polynomial模型優(yōu)于前者；兩種新的修正工程尾流模型在精度上不僅與LES結果接近

6、一致，而且在徑向分布上也更加符合真實流場。
　　再次，開展大氣邊界層穩(wěn)定性對風力機尾流影響的數(shù)值模擬研究。這部分工作主要是考慮三種不同大氣邊界層穩(wěn)定狀態(tài)對風力機尾流效應的影響，選用新修正的Park-Gauss模型對單臺風力機尾流效應以及多臺風力機全尾流效應進行數(shù)值模擬；選用新修正的Park-Polynomial模型對多臺風力機組偏尾流效應進行數(shù)值模擬研究。研究結果表明：大氣邊界層狀態(tài)越不穩(wěn)定，風力機尾流風速恢復越快且尾流膨脹半徑越

7、大，即大氣邊界層在不穩(wěn)定狀態(tài)下尾流風速恢復最快且尾流膨脹半徑最大，中性狀態(tài)其次，穩(wěn)定狀態(tài)下尾流風速恢復最慢且尾流膨脹半徑最小。
　　最后，開展大氣邊界層穩(wěn)定性對風電場微觀選址布局優(yōu)化的影響研究。這部分主要工作是，基于兩種新修正的Park-Polynomial和Park-Gauss模型，采用小生境遺傳算法、在常數(shù)風速固定風向和變風速變風向這兩種風況下對風電場風力機組進行布局優(yōu)化開展研究。研究結果表明：大氣邊界層穩(wěn)定性對風電場微觀選址