風(fēng)力機(jī)尾流數(shù)值模擬及風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組布局優(yōu)化研究.pdf

1、風(fēng)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪時(shí)由于部分動(dòng)能被吸收轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)下游出現(xiàn)風(fēng)速下降、湍流強(qiáng)度增加等現(xiàn)象，這被稱為風(fēng)力機(jī)的尾流效應(yīng)。前人的研究報(bào)告中指出，在當(dāng)前投產(chǎn)運(yùn)營的風(fēng)電場(chǎng)中，尾流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率降低15％~50%不等。因此，深入研究風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)具有重要意義。微觀選址工作是風(fēng)工程項(xiàng)目運(yùn)營的前提和基礎(chǔ)，在開展風(fēng)電場(chǎng)微觀選址工作時(shí)，應(yīng)合理布置各風(fēng)力機(jī)的位置，盡量避開風(fēng)力機(jī)尾流的影響，提高風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能利用率和綜合經(jīng)濟(jì)效益。近年來，隨著風(fēng)能產(chǎn)

2、業(yè)的蓬勃發(fā)展，一些地形復(fù)雜的風(fēng)電場(chǎng)開始投產(chǎn)運(yùn)營。復(fù)雜風(fēng)電場(chǎng)的地形起伏變化較大、影響因素眾多，增大了復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)微觀選址的難度。本文圍繞風(fēng)力機(jī)尾流數(shù)值模擬、平坦地形風(fēng)電場(chǎng)微觀選址、復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)流動(dòng)分布及其機(jī)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(fēng)力機(jī)尾流數(shù)值模擬的修正AD/RANS方法，并對(duì)其計(jì)算精度、魯棒性和通用性進(jìn)行測(cè)試。本文結(jié)果和前人的研究結(jié)果一致表明，當(dāng)采用Actuator Disc（廣義致動(dòng)盤，簡(jiǎn)稱

3、AD）方法結(jié)合RANS模型（這二者的結(jié)合為AD/RANS）模擬風(fēng)力機(jī)尾流時(shí)，得到的尾流流場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。于是，依據(jù)AD方法的簡(jiǎn)化思想、RANS湍流模型的特點(diǎn)、大氣邊界層的屬性等，分析誤差的來源，基于扎實(shí)的理論依據(jù)對(duì)湍流模型提出修正，發(fā)展了兩種適用于風(fēng)力機(jī)尾流預(yù)測(cè)的修正AD/RANS方法。通過單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流、兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)混合尾流、多臺(tái)風(fēng)力機(jī)混合尾流和偏尾流等情況的數(shù)值模擬，結(jié)果表明本文發(fā)展的修正AD/RANS方法表現(xiàn)較好、計(jì)算精

4、度較高，可作為一種基于CFD的數(shù)值方法，應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)尾流流動(dòng)機(jī)理的研究。
　　（2）基于風(fēng)工程領(lǐng)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(jì)算資源，在風(fēng)工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的依然是一些工程尾流模型。針對(duì)經(jīng)典Jensen尾流模型存在的精度不足問題，提出一種更能準(zhǔn)確反映風(fēng)力機(jī)尾流流場(chǎng)分布情況的模型—2D_k Jensen尾流模型。通過近十個(gè)數(shù)值算例的驗(yàn)證，表明2

5、D_k Jensen尾流模型不管是對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流中速度分布和湍流強(qiáng)度分布的預(yù)測(cè)還是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量的評(píng)估，都表現(xiàn)了較好的計(jì)算性能。由此可以推測(cè)，該方法可應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)微觀選址工作，為開發(fā)商提供較為準(zhǔn)確的風(fēng)電場(chǎng)特征數(shù)據(jù)。
　?。?）針對(duì)平坦地形風(fēng)電場(chǎng)開展機(jī)組布局優(yōu)化研究。基于前文所發(fā)展的可靠尾流模型—2D_k Jensen尾流模型評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量，基于更貼近現(xiàn)實(shí)的成本模型評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目成本，采用高效率的優(yōu)化算法和多樣的優(yōu)化策略對(duì)平坦地形風(fēng)

6、電場(chǎng)機(jī)組布局問題進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算。結(jié)果中給出幾組較優(yōu)的機(jī)組布局圖和各布局所對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)特征參數(shù)供決策者根據(jù)需求進(jìn)行選擇。該工作對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的平坦地形風(fēng)電場(chǎng)微觀選址工作具有一定的參考價(jià)值。
　　（4）開展復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)的流動(dòng)分布及機(jī)組排布優(yōu)化研究。建立復(fù)雜地形幾何模型，研究復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)周圍的流動(dòng)發(fā)展和變化規(guī)律。針對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)的微觀選址工作，研究目前常用的解耦算法（分別計(jì)算尾流效應(yīng)和地形效應(yīng)然后將二者的結(jié)果線性疊加）與常規(guī)的耦合計(jì)算方