二维山脊对风力机尾迹影响数值模拟

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1、第33卷第9期可再生能源Vol.33No.92015年9月RenewableEnergyResourcesSept.2015二维山脊对风力机尾迹影响数值模拟胡丹梅，郑筱凯，张建平（上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090）摘要：为了研究风力机在二维山脊的排布，采用CFD商用软件对二维山脊进行了数值模拟，发现压缩效应的存在使来流风速在山脊顶端速度增大，而山脊下游流动紊乱，不适合放置风力机。在二维山脊顶端放置一台风力机，对山脊和风力机进行数值模拟显示，压缩效应的存在使山脊顶端风力机所受扭矩增大。在二维山脊顶端放置一台风力机，同时按照文章得

2、出的最佳距离在其上游放置一台风力机进行数值模拟，分析了上游风力机对二维山脊和山脊顶端风力机的影响。关键词：尾流效应；二维山脊；压缩效应；数值模拟中图分类号：TM315文献标志码：A文章编号：1671-5292（2015）09-1337-08DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.09.0100引言1数值模拟方法在山地风电场中，尾流效应会使风力机之间1.1控制方程产生相互影响，风力机与山地地形也会存在相互考虑风力机是在额定风速下运行，采用具有[1]的影响。若要风电场达到最佳经济效益，须尽量层流-湍流转捩修正的SS

3、Tk-ω计算湍流模型。避免尾流效应所带来的影响，使风电场的排布方该模型在近壁面区域有更好的精度和算法稳定[17]，[18]式尽量合理。性。其中，粘性不可压缩三维Navier-Stokes前人对风电场的风力机最佳排布方式进行了方程，基于雷诺时均（RANS）的连续性方程和动大量研究，然而大多是分析单机风力机的功率输量方程分别为出，或是风力机尾流的相互影响，基本没有考虑到坠ui=0（1）地形对风力机功率输出的影响[2]～[16]。本文采用坠xiFLUENT软件，基于三维Navier-Stocks控制方程坠（ρui）坠（ρuiuj）坠p坠坠ui+=-

4、+（μ-ρuiuj）和适用于旋转流场分析的SSTk-ω湍流模型，以坠t坠t坠xi坠xj坠xj美国可再生能源实验室（NREL）5MW风力机为（2）3研究对象，以单机在平地上的模拟结果作为对照式中：ρ为空气密度，ρ＝1.225kg/m；μ为动力粘性基准，采用MRF技术对单机和双机在二维山脊上系数，μ=1.7894kg/（m·s）；i，j=1，2，3。进行了较为全面的数值模拟，分析了其气动性能1.2风力机的选取及尾流区域的流场特征和山脊与风力机之间的相本文选用的美国可再生能源实验室（NREL）[19]互影响。Fluent模拟结果可以精确显示流场风力

5、5MW风力机，叶片的主要几何参数列于表1。机下游尾流轮廓以及任意平面的速度值，可以弥风力机的轮毂中心到地面的垂直距离为90m，3补尾流理论忽略湍动能影响而造成的误差。通过支叶片由半径为3m的简化球壳型轮毂连接，塔模拟可得出运行中的风力机之间、风力机与山脊架为锥形圆柱体，高87.6m，底面圆直径为6m，之间的相互影响因素，为多风力机在复杂地形风顶面圆直径为3.87m。由于机舱对模拟结果影响场中的排列优化提供理论依据。不大，因此被简化为6m×6m×5m的长方体。利用收稿日期：2014-12-11。收稿日期：国家自然科学基金项目（50706025）

6、；江苏省水利动力工程重点实验室资助项目（K13024）；上海市教委科研创新重点项目（14ZZ154）；上海市科委部分地方院校能力建设项目（13160501000）。作者简介：胡丹梅（1972-），女，湖南衡南人，教授，博士，从事风能利用及动力机械技术的研究工作。E-mail：hudanmei@shiep.edu.cn通讯作者：郑筱凯（1989-），男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向为风力机空气动力学。E-mail：769175636@qq.com·1337·可再生能源2015，33（9）FLUENT的前处理软件GAMBIT进行几何建模图1（

7、a）为单机及整个流场的模型示意图；图和网格划分，然后以单机作为对照基准，比较了1（b）为单机整机实际建模；图1（c）为旋转小域的风力机在二维山脊上的速度云图和风力机实际网格划分，总网格数为205万个；图1（d）为整机功率输出。及其流场的网格划分，包围着旋转小域的静止域表1NREL5MW风力机叶片几何参数网格数目为133万个，其后面的静止域网格数目Table1Thegeometricparametersof5MWNRELwindturbineblade为68.5万个。图1（b），（c），（d）中的坐标轴X表截面截面半径安装扭角截面展长弦长示水平

8、方向，Y表示风的来流方向，Z表示竖直方翼型类型编号m（°）mm向；也即XOZ平面为风轮转动平面，XOY平面为12.8713.312.733.542Cylinder2