双机组风力机尾流互扰及阵列的数值模拟_李少华

风力机尾流模拟国内外发展概况

风力机尾流模拟国内外发展概况 气流通过旋转的风力机转子时产生动量损失，会在风力机下游形成风速下降的区域，该区域被称为尾流区。尾流的紊流结构会影响下游风力机的疲劳载荷，使风力机的性能受到影响，功率输出减小，导致整个风电场的总功率输出受到影响。 1979年，Lissaman在瑞典Kalkugen实测数据的基础上，基于湍流喷射的相似理论，提出了单风力机尾流的计算模型—Lissaman模型。继Lissaman模型之后，1986年，丹麦Riso的Katic等提出了Park模型，并将其应用到风能资源评估软件WAsP 中。PARK 模型为一维线性尾流模型，不考虑湍流效应的影响，近似认为尾流影响区域随距离线性扩张，风轮后风速线性恢复，风轮影响区是圆锥形，且沿截面均匀分布，其流场如图1所示。该模型的运算效率较高，一般常用在风力机优化布置计算中。Mosetti、Marmidis、苏勋文、郑睿敏等国内外学者分别采用一维线性尾流模型进行了风电场优化布置、风电场发电量计算等发方面的研究。2010年，王丰利用CFD计算结果将一维线性尾流模型改进为一维非线性尾流模型并进行了风电场微观选址研究工作，虽然尾流非线性扩展，但尾流区截面速度仍为均匀分布。 1988年，Ainslie假定尾流区二维轴对称，采用涡漩粘性理论求解N-S方程，从而求得流场各相关参数，得到二维轴对称涡漩粘性理论的尾流模型，该模型考虑了自由空气和风力机运行对风轮后风速的湍流影响，风速沿截面方向是非均匀分布。计算模型中，湍流强度的影响与计算分为两部分：外界自由空气的剪切所造成的湍流影响和风力机自身旋转所造成的湍流影响。此外，模型中风轮影响区一般分为三个区域：近尾流区、过渡区和远尾流区，其流场如图2所示。

水平轴风力机叶轮流场的数值模拟

第26卷第2期上海电力学院学报 Vol .26,No .2　2010年4月 Journal of Shanghai U niversity of E lectric Pow er Ap r .　2010 文章编号:1006-4729(2010)02-0123-04水平轴风力机叶轮流场的数值模拟 收稿日期:2009-06-30 作者简介:闫海津(1984-),男,在读硕士,河北沧州人.主要研究方向为水平轴风力机叶片翼型及叶轮流场的数值 模拟.E 2mail:yhaij36@https://www.360docs.net/doc/ba2697627.html,. 基金项目:国家自然科学基金(50706025);上海市教育委员会科研项目(07ZZ144). 闫海津,胡丹梅,李　佳 (上海电力学院能源与环境工程学院,上海　200090) 摘　要:利用G AMB I T 建模软件对某大型水平轴风力机进行了整机建模,采用计算流体力学软件F LUE NT 对风力机整机的流场进行了数值模拟,给出了水平轴风力机流场数值模拟的原理和一般性步骤,得到了风力机流场的压力分布、速度分布,以及叶片截面的流动分离情况等结果.对风力机流场的数值模拟和分析可为风力机叶片的设计、改型和研发工作提供一定的指导.关键词:水平轴风力机;叶轮;流场;数值模拟中图分类号:S213;TP335+.4 文献标识码:A Nu meri cal Si m ul ati on of Flow Fi eld for Hor i zont al 2axis W i n d Turbi n e Rotor Y AN Hai 2jin,HU Dan 2mei,L I J ia (School of Ther m al Po w er and Environm ental Engineering,Shanghai U niversity of Electric Po w er ,Shanghai 200090,China ) Abstract :　The 3D model of wind turbine blades is built by using the s oft building s oft w are of Ga mbit,and the nu merical si m ulati on of the aer odyna m ic perf or mance of fl ow field f or 3D wind turbine r ot or is made by using computer aer odyna m ic s oft w are .The theory and step s of nu merical si m ulati on of fl ow field f or horiz ontal 2axis wind turbine r ot or is summarized . The p ressure and vel ocity distributi on of fl ow field and the p ressure and vel ocity distributi on ar ound the blades are calculated .Si m ulati on and analyses will op ti m ize the unit design t o i m p r ove the research ability,and p r ovide s ome advice f or the design and research of blades . Key words :　horiz ontal 2axis wind turbine;r ot or;fl ow field;numerical si m ulati on 风力机是将自然界的风能转换成机械能并获 得电能的装置.水平轴风力机风轮气动性能对整个风力机的运行特性和使用寿命起决定作用.随着风力发电技术在我国的进一步推广和风力发电机组的广泛应用,对风力机气动性能的预测研究越来越受到重视.目前,国内一些风力机研 究机构对翼型的气动性能进行了大量的模拟和计 算,而风轮和整机的气动性能还主要依靠风洞实验来获得.通过对风力机流场的数值模拟,可以获取叶片的部分气动性能,而且数值模拟的成本要远低于风洞实验的成本.因此,采用数值模拟方法来研究风轮的气动性能对于优化风力机叶片和提

尾流对风力发电机组的影响

尾流对风力发电机组的影响 作者：雷启龙、黄瑞芳、李高峰 黄瑞芳工作单位：内蒙古电力工程技术研究院内蒙古邮编： 010010 雷启龙、李高峰工作单位：国华（河北）新能源有限公司邮编： 076750 摘要：由于大型风电场风力发电机组数量众多，占地面积较大，风力发电机组间尾流效应将对风电场并网点输出特性有较大的影响。以定速机组风电场为例，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC平台上，搭建了25台750kW风电机组组成的风电场模型。分析结果表明，尾流效应会造成风电场的风能损失。在风电场接入电网检测中，需要考虑尾流效应的影响。（文章题目主要是想说尾流对单个风力发电机组的影响，比如对叶片、对变桨控制、对机组振动、对其他自动控制等影响正常运行的分析） 关键词：风电场；风力发电机组；尾流效应；输出特性 1 引言 随着风电技术的快速发展，以及风力发电在电力系统中比重的持续增加，大型风电场通常由几百台甚至上千台风电机组组成。为准确分析大型风电场的动态行为，机组间尾流效应值得关注。 当研究风电场等值模型或风电场对电力系统的影响时，通常假定风电场内所有风电机组的风速相同。实际上，当风吹过风力机时会损失部分能量，表现为风速的降低。在风电场中，前面的风电机组要遮挡后面的风电机组，因此，处于下风向风电机组的风速小于上风向风电机组的风速。风电机组相距越近，前面风电机组对后面风电机组风速的影响越大，这种现象称为尾流效应。 以5排、每排间距为400m的风电场为例，假定风速为8m/s，风穿过整个风电场的时间至少需要3min。因此，尾流效应将对风电场输出特性有重要的影响。国家电网公司于2009年2月颁布了风电场接入电网技术规定。技术规定中给出了风电场接人电网的技术要求，对风电场最大功率变化率和风电场并网点电压偏差以及风电场接人电网检测有了明确规定。在风电场接入电网检测中，需要尾流效应对风电场并网点特性的影响。 鉴于此，本文以PSCAD/EMTDC为研究平台，搭建了25台定速风电机组组

风力机的尾流分析

风机尾流分析 摘要 在风电场场址选定的情况下，风电机组之间的尾流影响风电场风机的优化布置。目前，国内外关于符合风电场风机实际尾流以及迭加模型的研究主要侧重于一维线性模型及其迭加模型的实际应用。为此，推导建立了更加完整合理的一维非线性扩张尾流模型，即尾流影响边界随距离非线性增大；此外，根据风机尾流迭加的实际情况，分别推导建立了完整的风机尾流迭加计算模型来适应现有风电场的不同情形。通过相关工程算例结果与三维数值模拟计算结果的对比分析表明，所建立的风机尾流模型和尾流迭加模型更加合理，可有效提高风电场的发电效益。 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，考虑入流角分别为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：风电场；风机优化布置；尾流模型；尾流迭加模型

Abstract In the case of wind farm site selection, layout optimization for wind turbine wake effects between wind turbine. At present, domestic and foreign about the practical application of the actual fan wake and overlay model of wind farm mainly focus on the one-dimensional linear model and its superposition model. Therefore, a more complete and reasonable derivation of one-dimensional nonlinear wake model, namely the slipstream boundary nonlinear increase with distance; in addition, according to the actual situation of WTG wake, respectively, are established by the fuller WTG flow superposition to adapt to different situation of existing wind farm model. Through the project example analysis results show that compared with the three-dimensional numerical simulation of wind machine, the flow model and wake superposition model is more reasonable, can effectively improve the generation benefit of wind farm. Combined with the brake disc and CFD theory, using FLUENT software for wind farm in the limited area of the 9 sets of wind turbine wake interaction simulation. A wind farm wind turbine unit in the club arrangement, taking into account the yaw angle was 0 ° flow phenomenon, 15 ° and 30 ° representative wind machine, FAN boundary FLUENT provided by the use of the wind turbine is simplified to produce brake disc pressure jump down without thickness, by solving the N-S equation of the wind power field the flow field distribution. Wind energy density and turbulence intensity distribution is presented in this paper, the velocity distribution of flow field around the vorticity distribution and wind turbine generator, reflect the will of the flow field downstream units generate interference phenomenon of wind turbine generators upstream wake. The wind farm and wind turbine simulation shows that success, to simulate the brake disc theory combined with CFD method is applied to the wind farm and wind machine, can provide the micro-siting wind turbine arrangement and reference for wind farm, and the calculation method is far less than the amount of numerical simulation. Keywords: wind power; wind turbine layout optimization model; wake; wake superposition model

风力发电机组的尾流及其影响

风力发电机组正在变得越来越大，叶片也变得越来越长，对风力发电机组尾流效应特性的理解，就因此变得越来越重要了。唯有如此，才能正确地找到风力发电机组的最佳排布，获得最优化的发电量，同时使风险得到有效控制。 下面小编就带领大家了解一下尾流的特征以及影响。 1.尾流的定义 因为风力发电机组从风中吸收能量发电，根据能量守恒原理，风吹过风力发电机组后，能量一定比之前降低了。因此，风力发电机组总是在后面形成风影，即尾流，就像船舶驶过后，在水面上形成的尾流。 图1 风电场的尾流图 2.尾流的基本结构特征 风力发电机组尾流的结构包括多个区域，如下图所示，它们分别是近区、中间区和远区。每个区的长度取决于风轮直径的大小，同时还与气压、风速和大气稳定度有关。 图2 风力发电机组尾流结构 1）尾流近区的特征

①长度约为风轮直径的2~4倍； ②随着气流管道扩展到叶片边缘，风力发电机组前面（迎风面）气压增加，然后在风轮面另一侧突然降低，之后在近区内不断增加，直到恢复到自由风流的压力Pa； ③气流管道内部的风速在接近风力发电机组时降低，并在风力发电机组风轮面的另一侧保持不变，然后在近区内，随着气压值逐渐恢复到Pa而继续降低； ④近区内尾流的半径增加，并当气压恢复到Pa时达到最大。由于质量守恒和动量守恒定律，风速下降。 2）尾流中间区的特征 ①长度约为风轮直径的2~3倍，当混合层的内边界与中央轴线相交时结束。交点处风速发生变化； ②中间区的气压保持不变，始终等于Pa； ③尾流区的外边界的湍流增加，而中央线处的风速保持不变。 3）尾流远区的特征 ①长度超过5倍风轮直径； ②气压不变，等于Pa； ③由于湍流混合，中央线的风速开始稳步增加，恢复到自由气流的风速值Va。 根据每个区的特征，可以选择风力发电机组之间的最佳距离，从而使风力发电机组之间的相互影响最小。由于尾流效应对风向的敏感性，主导风向对风力发电机组的排布方案起到决定性作用。在主导风向上，风力发电机组的距离应该至少达到中间区的末端。 3.尾流对风电场的影响 目前复杂山地风电场较多，较高的湍流强度是复杂风电场的主要特征之一。湍流强度增强了山顶的地形加速效应，并在下风坡以更快的速度衰减，而风力发电机组的存在加强了这一效应。湍流强度的增加降低了风力发电机组的推力系数，这意味着尾流强度变弱，但持续的距离更长。而对于海上风电场，风向对于整个风电场的尾流损失而言非常重要。沿着风力发电机组排布很窄的风向区间内，发电量降低非常显著。当风向偏离排布线后，发电量损失随着风向变化快速减小。 4.结语 由于尾流的存在，风力发电机组之间必须保持一定的距离，既是出于提高发电量的考虑，也是为了使风力发电机组能够安全运行。对风电场尾流效应的研究是风力发电机组排布优化的关键之一，也是实现风电场最佳效益的关键。

基于CFD的风力机三维数值模拟

基于CFD的风力机三维数值模拟 汤松臻周俊杰 郑州大学化工与能源学院郑州450002 [ 摘要] 本文主要以某一水平轴风机为研究对象，运用Fluent对其进行优化设计和流固耦合数值模拟。 通过优化算法，把风机的转动惯距、风机转速和来流速度整体结合，并对风机外流场就行流固 耦合分析，得出风力发电机叶片的受力分布形态和规律,为进一步的疲劳寿命、断裂分析和风 机叶片的结构优化设计提供依据和参考。 [ 关键词]风力发电机；数值仿真；流固耦合；动力学 3D Numerical Simulation Of Blade Of Fan Based On CFD Tang Song-zhen, ZHOU Jun-jie (School of Chemical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou,450002) [ Abstract ] In this paper, a certain horizontal axis wind turbine was used as the main research model, the paper simulated its fluid solid interaction field and optimized the design by Fluent. Using the optimization theory to make the fan speed, the flow velocity and the torque together. Fluid-solid coupling method was used to simulate the dynamic characteristics of a horizontal axis wind turbine. Through analyzing the data, the laws of the stress and strain distributions were got. It provides reference for the further study on the failure and fatigue life, and for mechanical optimal design also. [ Keyword ] Wind turbine; Numerical simulation; Fluid-solid coupling; Dynamic 1前言 当今煤、石油、天然气等传统能源消耗的日益增加，能源危机日益严重，寻找新的可再生能源成为人类社会发展所面临的重要问题。风能作为一种无污染可再生的新能源有着巨大的发展潜力，风能的开发利用受到各国的广泛重视。 风机的动力来自于风速，转速则受制于转轴的摩擦阻力以及风速的大小，目前利用Fluent来计算风机问题，多数都是固定转速以及来流速度来判断风机表面的受力状况，很少把风机的转动惯距、风机转速和风机的来流速度整体结合的算例，本文将通过优化算法，把风机的转动惯距、风机转速和风机的来流速度结合起来，为风机的设计提供设计依据。 研究风力机内部流体流动的方法主要有理论分析、实验研究和数值模拟三种。在数值模拟方面，杨承志、柳慧春等利用FLUENT软件对风力机进行三维旋转流场的数值模拟，