風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)數(shù)值模擬研究.pdf

1、風(fēng)力機(jī)尾流模型的計(jì)算精度、大氣邊界層的穩(wěn)定性等都會(huì)影響尾流區(qū)風(fēng)速分布，進(jìn)而影響風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電總量的評(píng)估。風(fēng)電場(chǎng)前期建設(shè)中對(duì)發(fā)電總量的評(píng)估是微觀選址的重要依據(jù)之一，評(píng)估精度直接會(huì)影響風(fēng)力機(jī)組的布局優(yōu)化。風(fēng)力機(jī)組間尾流相互干擾，會(huì)降低風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能利用效率，從而影響風(fēng)電場(chǎng)的整體經(jīng)濟(jì)效益，因此針對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流展開(kāi)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(shè)，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步修正，假定徑向風(fēng)速呈多項(xiàng)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。基于這兩種新修正的工程尾流模型和基于開(kāi)源軟件OpenFOAM的致動(dòng)盤模型，對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)開(kāi)展研究；此外，還引入并大氣邊界層穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流的影響。之后，基于前期提出的工程尾流模型開(kāi)展大氣邊界層穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址優(yōu)化的影響研究。以下是詳細(xì)的研究工作內(nèi)容：
　　首先，開(kāi)展對(duì)單臺(tái)風(fēng)力機(jī)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(tái)風(fēng)力機(jī)尾流。第

3、一種方法是基于開(kāi)源軟件OpenFOAM，通過(guò)CFD計(jì)算對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流展開(kāi)研究，采用致動(dòng)盤模型(ADM)，并選用k??SST湍流模型對(duì)單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。第二種方法是通過(guò)提出的兩種工程尾流模型Park-Polynomial和Park-Gauss模型對(duì)單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流開(kāi)展數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：ADM可以較好的模擬單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流場(chǎng)信息，其近尾流區(qū)風(fēng)速恢復(fù)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(tái)風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)的風(fēng)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(yàn)結(jié)果接近一致而且在徑向分布上也更加符合真實(shí)流場(chǎng)。
　　其次，開(kāi)展對(duì)多臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)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(jì)算方法對(duì)多臺(tái)風(fēng)力機(jī)全尾流、偏尾流進(jìn)行數(shù)值模擬研究。第一種方法是基于開(kāi)源軟件OpenFOAM，通過(guò)CFD方法計(jì)算，并選用ADM+k-ωSST湍流模型對(duì)多臺(tái)風(fēng)力機(jī)全尾流和偏尾流進(jìn)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(duì)多臺(tái)風(fēng)力機(jī)全尾流和偏尾流開(kāi)展數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：ADM可以很好的對(duì)多臺(tái)風(fēng)力機(jī)組全尾流效應(yīng)和偏尾流效應(yīng)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(yīng)尾流區(qū)風(fēng)速；模擬偏尾流效應(yīng)，Park-Gauss和Park-Polynomial模型都能比較好的模擬尾流場(chǎng)，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(jié)果接近

6、一致，而且在徑向分布上也更加符合真實(shí)流場(chǎng)。
　　再次，開(kāi)展大氣邊界層穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)力機(jī)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(duì)風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)的影響，選用新修正的Park-Gauss模型對(duì)單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)以及多臺(tái)風(fēng)力機(jī)全尾流效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬；選用新修正的Park-Polynomial模型對(duì)多臺(tái)風(fēng)力機(jī)組偏尾流效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明：大氣邊界層狀態(tài)越不穩(wěn)定，風(fēng)力機(jī)尾流風(fēng)速恢復(fù)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(fēng)速恢復(fù)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(fēng)速恢復(fù)最慢且尾流膨脹半徑最小。
　　最后，開(kāi)展大氣邊界層穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)速固定風(fēng)向和變風(fēng)速變風(fēng)向這兩種風(fēng)況下對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)組進(jìn)行布局優(yōu)化開(kāi)展研究。研究結(jié)果表明：大氣邊界層穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址