风力机尾流效应数值模拟研究

发布时间：2017-12-10 19:17

  本文关键词：风力机尾流效应数值模拟研究

  更多相关文章： 致动盘模型 工程尾流模型 Park-Polynomial模型 Park-Gauss模型 大气边界层稳定性 微观选址布局优化

【摘要】：风力机尾流模型的计算精度、大气边界层的稳定性等都会影响尾流区风速分布,进而影响风电场发电总量的评估。风电场前期建设中对发电总量的评估是微观选址的重要依据之一,评估精度直接会影响风力机组的布局优化。风力机组间尾流相互干扰,会降低风电场的风能利用效率,从而影响风电场的整体经济效益,因此针对风力机尾流展开深入的研究是具有重要意义的。本文主要基于Park模型尾流区线性膨胀假设,对其进行进一步修正,假定径向风速呈多项式和高斯分布特征,分别提出了两种新的修正工程尾流模型Park-Polynomial和Park-Gauss模型。基于这两种新修正的工程尾流模型和基于开源软件OpenFOAM的致动盘模型,对风力机尾流效应开展研究;此外,还引入并大气边界层稳定性对风力机尾流的影响。之后,基于前期提出的工程尾流模型开展大气边界层稳定性对风电场微观选址布局优化的影响研究。以下是详细的研究工作内容:首先,开展对单台风力机尾流数值模拟研究。采用两种不同的数值模拟方法模拟单台风力机尾流。第一种方法是基于开源软件OpenFOAM,通过CFD计算对风力机尾流展开研究,采用致动盘模型(ADM),并选用k-?SST湍流模型对单台风力机尾流场进行数值模拟。第二种方法是通过提出的两种工程尾流模型Park-Polynomial和Park-Gauss模型对单台风力机尾流开展数值模拟研究。结果表明:ADM可以较好的模拟单台风力机尾流场信息,其近尾流区风速恢复速度要快于几种工程模型;新修正的两种工程模型都可以很好的模拟单台风力机尾流区的风速;Park-Gauss模型整体性能相比于其他几种工程模型是最好的,其在精度上不仅与试验结果接近一致而且在径向分布上也更加符合真实流场。其次,开展对多台风力机尾流效应数值模拟研究。该部分工作主要内容是用两种不同的计算方法对多台风力机全尾流、偏尾流进行数值模拟研究。第一种方法是基于开源软件OpenFOAM,通过CFD方法计算,并选用ADM+k-?SST湍流模型对多台风力机全尾流和偏尾流进行数值模拟。第二种是用两种新修正的工程尾流模型Park-Polynomial和Park-Gauss模型,对多台风力机全尾流和偏尾流开展数值模拟研究。结果表明:ADM可以很好的对多台风力机组全尾流效应和偏尾流效应数值模拟;新修正的Park-Gauss模型可以很好的模拟全尾流效应尾流区风速;模拟偏尾流效应,Park-Gauss和Park-Polynomial模型都能比较好的模拟尾流场,但Park-Polynomial模型优于前者;两种新的修正工程尾流模型在精度上不仅与LES结果接近一致,而且在径向分布上也更加符合真实流场。再次,开展大气边界层稳定性对风力机尾流影响的数值模拟研究。这部分工作主要是考虑三种不同大气边界层稳定状态对风力机尾流效应的影响,选用新修正的Park-Gauss模型对单台风力机尾流效应以及多台风力机全尾流效应进行数值模拟;选用新修正的Park-Polynomial模型对多台风力机组偏尾流效应进行数值模拟研究。研究结果表明:大气边界层状态越不稳定,风力机尾流风速恢复越快且尾流膨胀半径越大,即大气边界层在不稳定状态下尾流风速恢复最快且尾流膨胀半径最大,中性状态其次,稳定状态下尾流风速恢复最慢且尾流膨胀半径最小。最后,开展大气边界层稳定性对风电场微观选址布局优化的影响研究。这部分主要工作是,基于两种新修正的Park-Polynomial和Park-Gauss模型,采用小生境遗传算法、在常数风速固定风向和变风速变风向这两种风况下对风电场风力机组进行布局优化开展研究。研究结果表明:大气边界层稳定性对风电场微观选址布局优化影响是显著的,大气边界层状态越不稳定,风电场安装机组总数就越多、发电总量就越高、风电场利用效率也越高、每kW成本就越低。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK83;O35

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本文编号：1275585