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AbstractIn 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 thethree-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。

在风力机运行的风电场中，风经过旋转的风轮后会发生方向与速度的变化,这种对初始空气来流的影响称之为风力机的尾流效应。

风力机之间的影响主要表现为上游风力机的尾流效应对下游风力机的影响。

空气来流通过风力机叶轮时,对叶轮施加的旋转力矩会向叶轮后的空气施加一个等值且相反的力矩，这个施加的力矩会使风轮后的空气沿着与风轮对应的方向旋转；这样，风轮后的空气微粒会受到两个力的作用，一个力的方向与空气来流方向相同，另一个力的方向为旋转的切向，这两个力的合力就是风力机尾流形成的原动力，它使风力机后的空气形成涡流。

由于空气中大气微粒的不规则运动，使涡流在尾流形成的方向上横向扩散，其扩散程度与大气的稳定程度有关。

一个风电场中所安装的风力发电机组多达数10台,上游机组产生的尾流效应对风场内的空气流场产生一定程度的影响，进而影响到下游风力机组的出力。

由于风力机的尾流效应，增加了空气来流的湍流程度。

处于尾流区域的风轮在涡流中运行，叶片受到升力、阻力的不均匀性影响随着叶片长度的增加而增大,从而增大风轮叶片的内应力，影响叶轮的使用寿命。

本文通过数值模拟计算，研究尾流对风力机的影响，以使风电场中风力机的布局得到优化。

目录第一章基本理论 (4)1.1尾流动量理论 (4)1.2 叶素理论 (5)1.3 叶素-动量理论（BEM） (6)1.4尾流柱涡理论 (7)第二章风力机尾流的气动特性及模型 (10)2.1风轮几何参数 (10)2.2 假设风轮尾流不旋转的气动特性 (10)2.3 制动桨盘概念 (11)2.4 推力(轴向力)系数 (11)2.5考虑风轮后尾流旋转的气动特性 (11)2.6尾流旋转 (12)2.7输出最大功率 (12)2.8尾流角动量引起的转动盘面静压损失 (13)第三章风机恒速运行叶片优化设计 (14)3.1 叶尖损失 (14)第一章 基本理论1.1尾流动量理论动量理论可用来描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系。

流经转动盘面的整个气体流速的变化 ()a U U d -=∝1乘以质量流率，即是整个气体流动量的改变：()d d w U A U U ρ-=∝动量变化率 （1- 1）动量的变化完全来自于制动桨盘的静压的改变，而且整个流管周围都被大气包围，上下静压差为0，所以有：()()()a U A U U A p p d w d d d --=-∝∝-+1ρ （1- 2）通过贝努利方程可以获得此压力差-+-d d p p ，因为上风向和下风向的能量不同，贝努利方程表示在稳定条件下，流体中的整个能量由动能、静压能和位能组成。

不对流体做功或流体不对外做功的情况下，总能量守恒，因此对单位气流，有下式成立：.tan 212t cons gh p U =++ρρ （1- 3） 上风向气流有：d d d d d gh p U p gh U ρρρρ++=+++∝∝∝∝∝222121 (1- 4) 假设气体未压缩d ρρ=∝，并且在水平方向d h h =∝ 则+∝∝+=+d d p U p U 222121ρρ (1- 4a) 同样下风向气流有：-∝+=+d d w p U p U 222121ρρ (1- 4b) 两方程相减得到：()()2221w d d U U p p -=-∝-+ρ (1- 5) 代入方程(1-2)得()()()a U A U U A U U d w d w --=-∝∝∝12122ρρ (1- 6) 这样可导出： ()∝-=U a U w 21 (1- 7)可以看出，一半的轴向气流损失发生在流经制动桨盘时，另一半在下风向如下图 1.1所示图 1.1能量吸收制动桨盘和气流管状图1.2 叶素理论叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，如前面所述，多个圆环，半径r ，径向宽r δ。