風電機組尾流干涉效應數值模擬研究.pdf

1、風電機組尾流效應主要帶來兩方面問題:一是尾流區(qū)風速降低造成尾流區(qū)內風電機組發(fā)電量損失;二是湍流度增加影響風電機組的氣動性能和疲勞載荷，降低機組使用壽命，兩者均對風電場經濟效益造成了嚴重的負面影響。尾流干涉效應由多臺機組自由發(fā)展尾流在下游疊加形成，具有更強的流動復雜性，對下游機組更具影響，是當前風電場尾流研究的熱點和難點。圍繞該問題，開展了單臺、兩臺和多臺風電機組的三維計算流體動力學（Computational Fluid Dynamic

2、s，CFD）數值試驗，重點研究了機組下游尾流流場分布及其對機組主要性能參數的影響規(guī)律，主要工作和成果如下:
　　(1)自由發(fā)展尾流效應數值模擬
　　風電機組自由尾流研究是尾流干涉研究的基礎。以美國可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)5MW大型海上風電機組為研究對象，建立了整機全尺度三維多塊子域結構網格計算模型，充分考慮了機艙和塔筒對下游流場的影響，在指數律風

3、切變來流下，開展了定常和非定常數值試驗，結果與NREL報告結果進行了對比，驗證了模型的可靠性。重點研究了網格拓撲結構對尾流數值試驗結果的影響，討論了數值模擬方法對尾流數值試驗結果的影響，揭示了風切變來流條件下，不同來流風速對尾流發(fā)展的影響規(guī)律。結果表明:高精度的結構化網格拓撲模型在研究尾流問題中具有明顯優(yōu)勢;相對于非定常數值模擬，定常數值模擬在捕捉流場細節(jié)方面存在劣勢，然而在提供工程上需要的機組參數和流場速度分布方面區(qū)別并不明顯;來流風

4、速大有助于機組下游各個方向的速度恢復。
　　(2)全尾流干涉和部分尾流干涉效應數值模擬
　　兩臺機組尾流干涉是最簡單的干涉形式，同時具有很強的代表性，能夠充分反映兩種典型的干涉效應，即全尾流干涉和部分尾流干涉，是多尾流干涉效應研究的基礎。以兩臺NREL5MW大型海上風電機組為研究對象，建立了兩種典型布機方式下的整機三維全尺度結構網格計算模型，在風切變來流下，開展了非定常數值試驗。對比研究了兩種典型尾流干涉效應對流場速度分布和

5、機組性能的影響。結果表明:全尾流干涉效應對下游機組的出力影響更大;部分機組尾流干涉效應對機組載荷影響更為明顯，下游機組的推力系數隨著方位角變化無法再呈現出“三葉草”形狀，周期性被破壞;兩種尾流干涉效應均對尾流的影響范圍產生了擴張作用。
　　(3)多尾流串列干涉效應數值模擬
　　多尾流串列干涉是風電場中最常見的形式，此時，上游機組對下游機組的影響最大。以愛荷華州立大學(Iowa State University, ISU)風洞

6、試驗機組模型為研究對象，建立了5臺機組串行排布的三維結構網格數值模型，在3種入流條件下開展了定常數值試驗，通過與試驗值對比驗證了多臺機組串列模型的可靠性。主要探討了不同下游位置的機組性能變化，總結了不同大氣邊界層入流條件對尾流干涉效應的影響規(guī)律。結果表明:入流湍流度越高，風切變指數越大，下游機組功率損失越小，推力系數越大;入流湍流度越高，尾流區(qū)域流場速度衰減越小，同時具有更好的速度恢復能力;機組位置對流場速度分布和機組性能參數有重要影響