风力机尾流相互干扰的数值模拟.pdf

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1、第33卷第8期太阳能学报Vo1．33．No．82012年8月ACTAENERGIAESOLARISSINICAAug．，2012文章编号：0254-0096(2012)08—1315-06风力机尾流相互干扰的数值模拟田琳琳，赵宁，钟伟(南京航空航天大学空气动力学系，南京210016)摘要：结合制动盘理论与CFD方法，采用FLUENT软件对置于有限面积的风电场内的9台风力机尾流相互干扰情况进行数值模拟。风电场内风力机机组呈梅花型排布，考虑人流角分别为0。、15。和30。代表风力机的偏航现象，利用FLUENT提供的FAN边界将风力

2、机风轮简化为无厚度的产生压力跃降的制动盘，采用N-S方程求解整个风电场的流场分布。该文给出了流场的速度分布、涡量分布及风力机机组周围的风能密度与湍流强度分布，反映了上游风力机机组的尾流会对下游机组的流场产生干扰的现象。通过对风电场和风力机的成功模拟表明，制动盘理论结合CFD的方法适用于风电场和风力机的流场模拟，可为风电场微观选址和风力机排布提供参考，且计算量远小于完全数值模拟方法。关键词：风力机；制动盘；微观选址；CFD数值模拟中图分类号：TM614文献标识码：A何建模时可使用风力机的简化模型，不需要像研究0引言近尾迹区一样构

3、建风力机的真实几何模型。本文的风力机是一种从风中吸取动量的装置。当气流研究重点为风力机的远尾迹区。经过旋转的风力机时，由于动能的转移，会在下游形早期的一些学者对风力机尾流相互干扰现象开成风速下降的尾迹区。为了使有限面积的风电场产展了一系列研究。IvanellS等¨I2使用制动线生最大的经济效益，风电场开发商会对风电场进行(ACL)方法研究了单个风力机的近尾迹区的流动状评估和测量，尽可能地在风电场内多布置风力机，导况，但该方法的计算量非常大；AmmaraI等使用致一些风力机处在其他风力机的尾迹中。尾迹附加制动盘(ACD)方法对风

4、电场进行了数值模拟，将计的风剪切和湍流结构会影响下游风力机的疲劳载算结果与实验进行比较，发现计算结果能达到可接荷、使用寿命和结构性能，减少风力机的输出功率，受的精度水平且能真实反映出整个流场的气动情进而影响整个风电场的总输出功率。因此，开展风况。MikkelsenR等J，TroldborgN_5使用制动线力机尾迹流动的研究对提高风力机周围流场分析、(ACL)方法研究了风电场内3台风力机的流场状载荷和气动力计算的准确性具有重要作用。研究尾况。制动线方法是指用一条线来代替风力机的一个流效应对风力机性能影响的主要目的是合理布置风力机

5、，尽量减少风力机机组之间的尾流相互干扰现叶片，再将体积力分布于这条线上，然后求解N—S方程。象，提高整个风电场的效率，使风电场的经济性达到最佳。本文结合制动盘理论和CFD理论J，研究风电风力机的尾迹区可分为近尾迹区和远尾迹区。场内的尾流干扰情况。具体做法是将风力机简化为近尾迹区的主要研究内容包括尾迹内涡结构的描述一个产生压力跃降的盘，在风电场内布置9台风力及人流条件和叶片载荷对涡性能的影响。近尾迹区机，考虑不同的人流角条件来模拟风力机的偏航现下游为远尾迹区，在该区域，研究重点是尾流效应、象，然后对整个风电场进行流动求解。该方法

6、降低湍流强度及地形特征对流场的影响等。此外，在几了计算量，既能反映风力机的气动性能，又能较精确收稿日期：2010~8—17基金项目：国家重点基础研究发~(973)计~(2007CB714600)；江苏省创新学者攀登项目(BK2008044)通讯作者：田琳琳(1987一)，女，博士研究生，主要从事风力机空气动力学方面的研究。blusius@126．com太阳能学报33卷地求解风力机周围的流场特性，且能反映不同偏航隔6倍风轮直径，前后列风力机机组之间相隔4倍状态下，上游风力机的尾迹对下游风力机的干扰和风轮直径。下面分别考虑在人流角

7、为0。、15。和30。影响，可为风电场的微观选址提供很好的理论支持。时，风力机的尾流特性。1研究模型2数值方法由于风力机将风能转化为电能，所以，风通过风2．1计算域和网格轮后速度下降，经过一定距离后才能恢复到自由流为保证流动能充分发展，在本文中，流向、展向和风速。理想情况下，在主导风向上应尽量使风力机竖直方向的计算域分别取为[0，28D]，[0，28D]，机组之间相隔较远，以减少风力机机组之间的相互[0，4D]。并将风力机简化成一个无限薄的制动盘干扰；同时由于要充分利用土地等因素，又要求风力布置在风电场内。计算域采用结构网格，

8、并在风力机机组布置的尽量靠近些，而且缩短机组间的距离机周围进行局部加密，保证离壁面第一个网格点处可减少电缆长度，从而降低连网费用。在有限面积的Y在30以内。网格总数为329万。的风电场内布置风力机时，应根据实际地形，因地制2．2数值方法宜，优化布置。采用FLUENT商用软件对