基于致动线模型的风电场复杂尾流特性研究

发布时间：2020-08-05 07:45

【摘要】：随着风能的广泛应用以及风力发电的大力发展,越来越多的风电场在世界各地建立起来。在风机密集布置的风电场中,存在十分显著的问题:风电场尾流速度亏损,功率输出显著下降,湍流流动特性大大增强。研究表明,依据风电场的布置形式以及风电场的风资源条件,当下游风机位于上游风机的全尾流区域之内时,由于复杂的尾流效应以及尾流相互干扰效应,风电场的功率损失约为40%。因此,进行基于真实风电场布置的多风机风电场的数值模拟,研究其功率输出特性、尾流场的复杂尾流效应以及显著的尾流相互干扰效应,对于风电场的布置优化以及风电场的尾流研究有着十分重要的科学意义以及工程参考价值。本文基于致动线模型,采用CFD方法数值模拟多风机风电场复杂尾流场,讨论其气动载荷输出特性,研究风电场中复杂尾流效应以及典型尾流相互干扰效应。本文首先基于盲测实验,对FOWT-UALM-SJTU求解器中的风电场求解模块ALMWindFarmFoam进行数值模拟验证,从气动载荷输出、尾流特性包括平均尾流速度以及平均湍流应力等特性数值验证求解模块进行风电场模拟的可靠性以及准确性。其次,基于串列与错列两种基本布置形式,对两风机风电场进行了详细数值模拟研究。讨论了不同串列以及错列间距对于下游风机气动性的影响,分析了位于全尾流以及部分尾流区内下游风机的气动功率输出特性。数值模拟结果表明:上下游风机纵向间距以及错列间距对于下游风机的气动性存在十分显著的影响,上游风机的尾流在约五倍风轮直径之内区域为强尾流影响区,其后为弱尾流影响区。当下游风机完全位于上游风机强尾流影响区时,尾流亏损十分严重,功率损失十分显著;脱离强尾流影响区进入弱尾流影响区时,下游风机的气动功率恢复明显,其恢复速度约为强尾流影响区尾流恢复速度的二倍。当下游风机部分处于上游风机尾流时,功率增长加快,尾流重合区内湍流特性明显,尾流速度恢复加快。尾流形状表现出十分明显的非对称性。最后,数值模拟了基于Lillgrund风电场布置形式的大型多风机风电场。详细讨论风电场中48台风机的气动载荷,包括气动功率以及推力的输出特性,复杂的尾流效应,并且对尾流的相互干扰效应进行了讨论。结果表明:风机功率损失的极小值出现在串列布置的下游第三台风机上,此后,由于尾流速度的逐渐恢复,位于第三台风机下游的其他风机的功率输出有所增加。随着尾流处的长周期发展,下游风机的功率输出趋向稳定的功率比(相对于第一台风机),约为20%。当第一台风机在额定工况下运转时,尾流速度亏损最大,导致了下游多台风机的功率输出大幅度减小。由于显著的尾流相互干扰效应,尾流中存在明显的交替出现的尾流亏损区,亏损区的交替出现会导致十分严重的叶片疲劳现象。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM614
【图文】：

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这样同样可以达到提高发电量的基本目的。多风机集群化形成大型风逡逑电场，进行集中并网发电是充分利用风能的有效手段。世界各国都在大力发展风逡逑电场：全球规模最大的伦敦矩阵风电场，如图１－３所示，包含１７５台风机，总的逡逑装机量６３０ＭＷ［５］；位于德国的ＢＡＲＤ邋Ｏｆｆｓｈｏｒｅ邋１风电场，包含８０台风机，总装逡逑机量４００ＭＷ［６］；中国江苏响水近海风电场，包含１３４台风机，总装机量２０１ＭＷ。逡逑研宄表明，在大型风电场中，风电场的总发电量与风机的总台数之间并非是逡逑正比关系，甚至会出现严重的功率损失现象［７］。导致这一现象的主要原因是在大逡逑型风电场中存在十分明显的尾流效应：风机运转过程中会从空气中吸收风能，作逡逑为对空气流场的一种负反馈，在风轮平面后面会形成十分明显的尾流。在风机尾逡逑流区内，流场速度显著降低，湍流度上升，对处于尾流区域之内的下游风机会产逡逑生十分显著的影响。与此同时

风电场,伦敦,矩阵,大型风

表１－１全球部分大型风电场概览［１３］逡逑ｌｅ邋１－１邋Ｏｖｅｒｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｓｏｍｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ＇ｓ邋ｍａｊｏｒ邋ｗｉｎｄ邋ｆａｒｍｓ逡逑逦总装机量（ＭＷ）逦风机逦位置１７５邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑ｙ逦６３０逦ＵＫＳＷＴ－３．６－１２０逡逑１５0ｘＳｉｅｍｅｎｓ逡逑ａｒｍ逦６００逦ＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓＳＷＴ－４．０逡逑９７邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑逦５８２逦ＧｅｒｍａｎｙＳＷＴ－６．０－１５４逡逑２０１逦１３４ｘｌ．５ＭＷ逦Ｃｈｉｎａ性研究现状逡逑，

动量理论,叶素,流体控制

逑ｍａｍ逡逑图１－３伦敦矩阵风电场［１２］逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｌｏｎｄｏｎ邋ａｒｒａｙ邋ｗｉｎｄ邋ｆａｒｍ逡逑表１－１全球部分大型风电场概览［１３］逡逑Ｔａｂｌｅ邋１－１邋Ｏｖｅｒｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｓｏｍｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ＇ｓ邋ｍａｊｏｒ邋ｗｉｎｄ邋ｆａｒｍｓ逡逑风电场名称逦总装机量（ＭＷ）逦风机逦位置逦完成时间逡逑１７５邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑Ｌｏｎｄｏｎ邋Ａｒｒａｙ逦６３０逦ＵＫ逦２０１２逡逑ＳＷＴ－３．６－１２０逡逑１５0ｘＳｉｅｍｅｎｓ逡逑Ｇｅｍｉｎｉ邋Ｗｉｎｄ邋Ｆａｒｍ逦６００逦Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ逦２０１７逡逑ＳＷＴ－４．０逡逑９７邋ｘ邋Ｓｉｅｍｅｎｓ逡逑Ｇｏｄｅ邋Ｗｉｎｄ逦５８２逦Ｇｅｒｍａｎｙ逦２０１７逡逑ＳＷＴ－６．０－１５４逡逑江苏响水逦２０１逦１３４ｘｌ．５ＭＷ逦Ｃｈｉｎａ逦２０１０逡逑１．２风机气动性研究现状逡逑在风电场中风机的气动性起着十分重要的作用，准确研宄风电场中风机气动逡逑性可以为风场的布置优化以及风机的结构设置提供一定的依据。目前来说，针对逡逑于风机气动性的研究，国内外比较主流的数值模拟方法主要有叶素动量理论方法、逡逑基于体积力的致动方法以及基于真实风机模型的数值模拟方法。本小节主要就以逡逑上几种数值模拟方法进行相关的国内外的研宄现状的综述。逡逑１．２．１叶素动量理论逡逑叶素动量理论是最经典的风机气动性计算方法之一。叶素动量理论（Ｂｌａｄｅ逡逑Ｅｌｅｍｅｎｔ邋Ｍｏｍｅｎｔｕｍ邋Ｍｅｔｈｏｄ，邋ＢＥＭ）最早由邋Ｇｌａｕｅｒｔ邋提出［１４］，其计算效率高，可逡逑以充分节约计算资源

【参考文献】