大型风力机尾迹双向流固耦合特性分析

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1、第33卷第11期可再生能源Vol.33No.112015年11月RenewableEnergyResourcesNov.2015大型风力机尾迹双向流固耦合特性分析122刘海锋，孙凯，胡丹梅（1．中国电力科学研究院，北京100055；2．上海电力学院能源与机械工程学院，上海200090）摘要：风力机尾迹区域的流场特征对风电场的优化布置具有重要意义。文章基于流固耦合理论，采用AN-SYS+FLUENT方法和滑移网格技术对NREL5MW风力机的尾迹特性进行了系统分析。结果表明：在风力机近尾迹区流固耦合情况下风力机的输出功率和轴向推力更接近NREL设计值；在远尾迹区、双向流固耦合情况下，轴向速度更早

2、地在风力机下游6倍风轮直径X=6D处达到来流速度，而湍流强度也提前在X=2D处出现拐点开始下降，在X=6D处达到9.8%，流场进入低湍流度区，从而得到了风力机合理布置方面的重要结论，这将对风力机合理布置和风电场经济性的提高提供一定的参考。关键词：流固耦合；风力机；尾迹中图分类号：TM614文献标志码：A文章编号：1671-5292（2015）11-1664-10DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.11.0120引言RANS分析风力机气动性能，运用风力机叶素理随着风电技术的日渐成熟，风力发电机的单论对单机风场流场气动性能及尾流现象进行全面[4]机容量也随着增

3、大，必然导致风力机的大型化。风的研究。AlexandrosMakridis数值模拟复杂地形经过旋转的风力机后发生动量损失、风速减小和上两并列机组流场分布并比较RSM模型与SST[5]湍流度增强。在风电场中，一些风力机处于上游风模型的计算结果。田琳琳和李少华采用FLUENT力机的尾迹当中，风经过上游风力机之后，风速的软件对置于有限面积的风电场内的多台风力机尾减小与湍流度的增强必然对下游风力机的功率输流相互干扰情况进行数值模拟，分析了单机与多[6]，[7]出、结构性能和疲劳载荷产生很大的影响。可见，机情况下风力机尾迹情况。开展风力机的尾迹流场特性分析研究必定会对改工作状态下的风力机会在风的作用下

4、发生变善风力机性能、提高风能利用效率、合理布置风力形，同时这变形和运动又会反过来影响风的运动，机起到非常重要的作用。从而改变风载荷的分布和大小。本文以NREL5风力机尾迹研究的空气动力学理论主要可分MW风力机为例，采用ANSYS中SystemCoupling为叶素理论（BEM）和涡流理论两大类。在此基础为数据交换平台连接FLUENT与Transient上，许多学者展开了尾迹特性研究。GCrasto对风Structural两模块，对风力机与风场进行双向流固力机尾迹进行简单假设，用圆盘代替风轮，即制动耦合。分别在耦合与未耦合两种情况下，针对风力盘概念，这样可以在高风速和宽区域条件下更好机下游近尾

5、迹和远尾迹两个方面进行分析，近尾[1]地预测风力机功率的输出。2011年10月由迹着重研究流固耦合对风力机功率输出及轴向推Nowitech和Norcowe在挪威卑尔根市共同组织了力的影响，风力机远尾迹重点分析速度分布及湍有关风力机尾迹的“盲测”研讨会，对不同尾迹模流分布，从而更好地分析风电场机组之间的优化[2]型的优缺点进行了分析研究。随着计算机的发布置。展，当前CFD是流行的流体力学分析技术，它克1双向流固耦合理论[8]服了实验测量和理论分析的成本高、耗时长的缺1.1流体控制方程点。Bartheleme数值模拟分析了HornsRev大型近假设流体是连续的、均质不可压缩的各向同[3]海风电场

6、的风力机尾迹分布。Carlo运用CFD-性牛顿流体，流体质点在每一瞬时处于准热平衡收稿日期：2014-08-08。基金项目：国家自然科学基金项目（50706025）；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）；上海市教委部分地方院校能力建设项目（13160501000）。作者简介：刘海锋（1980-），男，陕西咸阳人，高级工程师，博士，主要从事计算力学理论研究。E-mail：liuhaifeng@epri.sgcc.com.cn通讯作者：胡丹梅（1972-），女，教授，博士，主要从事风能利用、动力机械研究工作。E-mail：hudanm

7、ei@shiep.edu.cn·1664·刘海锋，等大型风力机尾迹双向流固耦合特性分析态。流体运动的基本方程如下。表1叶片的几何参数分布Table1Geometricparameterspecificationofblade连续性方程：截面叶高/m安装角/（°）弦长/m翼型坠ρ坠（ρuj）+=0（1）12.8713.313.542Cylinder1坠t坠xj25.613.313.854Cylinder1式中：