風(fēng)電機(jī)組尾流干涉效應(yīng)數(shù)值模擬研究.pdf

1、風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)主要帶來兩方面問題:一是尾流區(qū)風(fēng)速降低造成尾流區(qū)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量損失;二是湍流度增加影響風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能和疲勞載荷，降低機(jī)組使用壽命，兩者均對(duì)風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。尾流干涉效應(yīng)由多臺(tái)機(jī)組自由發(fā)展尾流在下游疊加形成，具有更強(qiáng)的流動(dòng)復(fù)雜性，對(duì)下游機(jī)組更具影響，是當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)尾流研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。圍繞該問題，開展了單臺(tái)、兩臺(tái)和多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamic

2、s，CFD）數(shù)值試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了機(jī)組下游尾流流場(chǎng)分布及其對(duì)機(jī)組主要性能參數(shù)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(yīng)數(shù)值模擬
　　風(fēng)電機(jī)組自由尾流研究是尾流干涉研究的基礎(chǔ)。以美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)5MW大型海上風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，建立了整機(jī)全尺度三維多塊子域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算模型，充分考慮了機(jī)艙和塔筒對(duì)下游流場(chǎng)的影響，在指數(shù)律風(fēng)

3、切變來流下，開展了定常和非定常數(shù)值試驗(yàn)，結(jié)果與NREL報(bào)告結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了模型的可靠性。重點(diǎn)研究了網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)尾流數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果的影響，討論了數(shù)值模擬方法對(duì)尾流數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果的影響，揭示了風(fēng)切變來流條件下，不同來流風(fēng)速對(duì)尾流發(fā)展的影響規(guī)律。結(jié)果表明:高精度的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格拓?fù)淠Ｐ驮谘芯课擦鲉栴}中具有明顯優(yōu)勢(shì);相對(duì)于非定常數(shù)值模擬，定常數(shù)值模擬在捕捉流場(chǎng)細(xì)節(jié)方面存在劣勢(shì)，然而在提供工程上需要的機(jī)組參數(shù)和流場(chǎng)速度分布方面區(qū)別并不明顯;來流風(fēng)

4、速大有助于機(jī)組下游各個(gè)方向的速度恢復(fù)。
　　(2)全尾流干涉和部分尾流干涉效應(yīng)數(shù)值模擬
　　兩臺(tái)機(jī)組尾流干涉是最簡(jiǎn)單的干涉形式，同時(shí)具有很強(qiáng)的代表性，能夠充分反映兩種典型的干涉效應(yīng)，即全尾流干涉和部分尾流干涉，是多尾流干涉效應(yīng)研究的基礎(chǔ)。以兩臺(tái)NREL5MW大型海上風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，建立了兩種典型布機(jī)方式下的整機(jī)三維全尺度結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算模型，在風(fēng)切變來流下，開展了非定常數(shù)值試驗(yàn)。對(duì)比研究了兩種典型尾流干涉效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)速度分布和

5、機(jī)組性能的影響。結(jié)果表明:全尾流干涉效應(yīng)對(duì)下游機(jī)組的出力影響更大;部分機(jī)組尾流干涉效應(yīng)對(duì)機(jī)組載荷影響更為明顯，下游機(jī)組的推力系數(shù)隨著方位角變化無法再呈現(xiàn)出“三葉草”形狀，周期性被破壞;兩種尾流干涉效應(yīng)均對(duì)尾流的影響范圍產(chǎn)生了擴(kuò)張作用。
　　(3)多尾流串列干涉效應(yīng)數(shù)值模擬
　　多尾流串列干涉是風(fēng)電場(chǎng)中最常見的形式，此時(shí)，上游機(jī)組對(duì)下游機(jī)組的影響最大。以愛荷華州立大學(xué)(Iowa State University, ISU)風(fēng)洞

6、試驗(yàn)機(jī)組模型為研究對(duì)象，建立了5臺(tái)機(jī)組串行排布的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)值模型，在3種入流條件下開展了定常數(shù)值試驗(yàn)，通過與試驗(yàn)值對(duì)比驗(yàn)證了多臺(tái)機(jī)組串列模型的可靠性。主要探討了不同下游位置的機(jī)組性能變化，總結(jié)了不同大氣邊界層入流條件對(duì)尾流干涉效應(yīng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:入流湍流度越高，風(fēng)切變指數(shù)越大，下游機(jī)組功率損失越小，推力系數(shù)越大;入流湍流度越高，尾流區(qū)域流場(chǎng)速度衰減越小，同時(shí)具有更好的速度恢復(fù)能力;機(jī)組位置對(duì)流場(chǎng)速度分布和機(jī)組性能參數(shù)有重要影響