风力机尾流流场的数值分析和尾流边界建模

合集下载

水平轴风力机流场的数值模拟

水平轴风力机流场的数值模拟
本报告介绍了一项关于水平轴风力机流场的数值模拟实验研究。

在该研究中，使用了基于RANS求解方法的2110A-2112F模型，运用COMSOL MultiphysicsCFD模块，对前流场进行仿
真和模拟，以分析和预测水平轴风力机的性能。

模型中的场
变量包括速度、压力、粘度和速度梯度，分别为U，P，MU
和GRAD。

实验首先将计算空间分解为三维解空间，并使用不同的边界条件、流体属性和物理参数来模拟流动和传播现象。

在此基础上，以指标形式对模型进行了开发，以确保模型具有良好的泛函稳定性及有效性，同时考虑了桨叶角度、桨叶间距、流体性质和流速梯度、太阳能辐射等因素;并且一定的实验情况下，准确
预测和分析水平轴风力机流场的发展趋势，以及桨叶的最佳工作状态。

经过模拟，可以得出以下结论：当增大桨叶的角度时，桨叶的生产力相应增大，而桨叶之间的流动及压力分布也发生了变化；同时，当桨叶间距增加时，桨叶之间的压力和流动都发生了变化；此外，随着桨叶间距和角度的改变，太阳能辐射也会发生变化。

总之，本研究表明，RANS模型能够较准确的模拟和预
测水平轴风力机流场。

综上所述，本研究通过利用RANS模型，对水平轴风力机流
场进行了数值仿真，加深了我们对水平轴风力机性能和发展趋势的了解，为提高水平轴风力机的性能和可靠性提供了参考依据。

单台风电机组尾流流场模拟

单台风电机组尾流流场模拟李品;王东升;崔岩松【摘要】基于CFD的数值模拟的方法,利用Fluent软件对单台风电机组的尾流流场进行数值模拟,得出尾流区中风速的分布规律,并对模拟结果进行分析.根据Larsen尾流模型,计算得到尾流区风速分布,并将二者结果进行相互验证.结果表明,二者计算结果相符,该方法可为风电场微观选址,合理布置风电机组减少尾流效应不利影响提供参考,并得到Larsen尾流模型的适用条件.【期刊名称】《东方汽轮机》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P51-55)【关键词】风力涡轮机;尾流流场;CFD数值模拟;微观选址【作者】李品;王东升;崔岩松【作者单位】河北建投新能源有限公司,河北石家庄,050000;东方电气自动控制工程有限公司,四川德阳,618000;河北建投新能源有限公司,河北石家庄,050000【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言在风电场中，风经过旋转的风轮后会发生速度大小和方向的变化，这种对初始空气来流的影响称之为风力机的尾流效应。

尾流导致气流中附加风剪切和湍流强度，这会影响下游风力发电机组的疲劳载荷和结构性能等因素，减少风力机的输出功率，进而影响整个风电场的总输出功率。

因此，开展风电机组尾流场的研究对于合理布置风力发电机组，减少风力发电机组间尾流干扰，进而提高整个风电场的发电效率有着重要意义。

国内外许多专家学者对风电机组的尾流效应开展了广泛研究，一类是尾流模型研究方法，这些模型是由学者提出的简化尾流模型，然后利用实验数据检验模型并且进行修正。

比如WAsP采用的Park模型、Ainslie提出的涡粘性尾流模型、Larsen 尾流模型、 Jensen模型、 AV（AeroViroment）尾流模型等等。

其中Larsen模型是基于旋转对称湍流边界层公式的渐进表达式的半解析尾流模型，尾流区边界非线性并且某一点的风速除了与风力机后距离有关还与距离中线的距离有关，更加符合实际，在欧洲风电机组项目标准中被推荐使用。

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。

各区域边界条件计算方法各不相同，如GH模型中近尾流区长度假设为2倍风轮直径，UO模型和FLaP模型则根据经验公式计算得到。

该模型运算较为复杂，效率较低，但计算精度相对高，一般常用于流场与风力机发电量的精确计算。

基于测风数据的经验尾流模型适用性分析研究

基于测风数据的经验尾流模型适用性分析研究吴阳阳【摘要】风电机组的尾流效应是风电场能量损失的重要因素,研究尾流效应是为了优化风机布置,尽量减小风力机尾流的影响,降低风电场能量损失,使风电场的经济性达到最佳.而现有的许多工程应用的经验尾流模型,在准确性和适用性上都存在差异.以单台水平轴风电机组经验尾流模型为研究对象,分析了Jensen模型、Larsen模型、Frandsen模型和无粘近场模型等具有代表性的经验尾流模型的各自优缺点以及适用条件.然后,针对Jensen模型和无粘近场尾流模型的缺点进行了改进,并结合改进Jensen模型与改进的无粘近场尾流模型,分段建立了准确度更高适用性更强的全场尾流模型.最后,基于Sexbierum风电场尾流区测风数据对建立的全场尾流模型进行了对比验证.结果表明,全场尾流模型能够较好的拟合风场的实测数据,可以适用于风力机全场尾流速度分布的模拟以及指导工程实践.【期刊名称】《浙江电力》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】7页(P92-98)【关键词】风电机组;尾流模型;对比验证;全场尾流模型【作者】吴阳阳【作者单位】华能国际电力股份有限公司浙江清洁能源分公司,杭州 310014【正文语种】中文【中图分类】TM621.2;TK223.26风力机是将自然界风能转化为机械能进而转化为电能的核心设备。

当风吹过风力机时引起风轮的旋转，由于风动能到风轮机械能的转换，风力机下游会出现风速减小、湍流强度增大、风剪切加剧等流动特征；经过一段下游距离之后，在周围气流的作用下风速逐渐得到恢复，这被称为风力机的尾流效应。

风速的降低使得下游风力机的输出功率降低，强湍流和附加的风剪切会影响下游风力机的疲劳载荷、结构性能和使用寿命，进而影响整个风电场的运营寿命。

风电场中许多风力机布置在一起，一些风力机将处于另一些风力机的尾流中，使风力机的性能受到影响，功率输出减小，影响整个风电场总的功率输出[1]。

航天器尾流数值计算的数学模型

航天器尾流数值计算的数学模型
1航天器尾流数值计算的数学模型
航天器尾流是指航天器在太空中运行时，其产生的尾部气流及相应循环流场。

研究这个现象十分有意义，因为它对航天器的推进性能和安全性有重要的影响。

准确的数学模型可以帮助研究者准确的模拟航天器的尾流数据，以期达到精确预测要求。

尾流数值计算的数学模型可以使用流体力学的理论，描述和分析航天器尾流的相关性能信息。

通过对流解析方程的求解以及建立解析模型对数据进行探索，可以获得准确而全面的有关航天器尾流性能的信息。

在实际应用中，航天器尾流数值计算模型可以用来模拟航天器的尾流，以及提供有关航天器尾流性能特征的参数化评估。

模型也可用于提高推进剂运输系统的效率，减少推进剂消耗，降低对航天器的结构和搭载的任务的风险。

另外，模型可以用来计算航天器的装配结构，评估控制系统的性能，并考虑任务的系统风险。

在建立航天器尾流数值计算模型时，数值分析方法可以大大提高准确性。

数值分析方法有效地缩小了模型误差，并提供了一系列可靠的解决方案来指导系统的设计和性能评估。

同时，在传统的流体力学中，数学模型的高精度求解也有助于识别航天器尾流的基本特性，并有助于改善航天器的推进性能和安全性。

航天器尾流数值计算的数学模型可以为航天器的设计和性能评估提供重要的指导。

因此，建立一套完成的航天器尾流数值计算模型也十分重要，模型完全可以作为太空飞行任务的重要依据。

致动盘模型与CFD结合的风力机尾流研究

精密制造与自动化2018年第3期4致动盘模型与CFD结合的风力机尾流研究*代丹丹 1 马博1（新疆工程学院机械工程系乌鲁木齐830023）摘要提出一种简便的致动盘模型，结合CFD的研究方法对风力发电机的尾流流场进行数值研究，得出了风机尾迹区的流动状况和风轮中心轴向速度分布以及风机下游不同位置处的径向速度分布。

计算结果与风洞实验结果吻合较好，表明采用的方法可以用于风力机流场模拟，能够较好地捕捉尾流的流场特性。

致动盘模型与CFD 结合的风力机尾流研究方法能够在计算量相对较小的情况下准确反映远尾流的流场信息，可以作为工程应用的工具，为风场风力机排布提供参考依据。

关键词风力发电机尾流致动盘CFD气流在经过旋转的风轮后，由于风轮吸收了部分能量，风轮后的尾流动能小于来流动能，在风机的下风向会产生类似轮船尾流的效果，该区域内产生较大的湍流，同时降低风速，对后面的风电机组发电量产生影响，即尾流效应。

风机尾流效应是风电场风机布置中需认真考虑的问题，因为其与风能资源状况、风机可用系数共同决定风电产量。

风机布置的基本原则是：尽可能减少风机尾流效应及最大程度利用风能资源。

因此，研究风力机尾流特性对风机性能的影响，对于合理布置风力机，提高风能利用效率起着非常重要的作用。

目前对于风机尾流的研究主要采用实验方法和计算流体力学（CFD）方法。

实验研究迫于实验条件和资源的限制，采用此方法的学者还不是很多。

更多的学者采用CFD方法对风力机尾流流场进行模拟。

然而，风力机通常都布置在风场中，对风力机群之间的尾流互扰影响的研究需要占用大量的计算资源和计算时间，使得采用CFD方法在研究多台风力机尾流特性时存在较大困难。

因此很多学者提出用致动模型代替风力机叶片，这样在计算的时候不需建立真实叶片几何网格和求解叶片边界层的流动，从而降低计算成本和对硬件的要求，可以研究多台风力机尾流特性[1]。

田琳琳[2]采用致动盘理论*新疆工程学院科研基金项目编号：2014xgy121612 和CFD理论，研究了风电场内的尾流干扰情况。

水平轴风力发电机尾流效应的研究

水平轴风力发电机尾流效应的研究水平轴风力发电机尾流效应的研究近年来，由于能源危机的严峻形势以及对环境保护的日益关注，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式受到了广泛关注。

水平轴风力发电机作为目前应用最广泛的风力发电设备，尾流效应对其性能与风场布置起着重要的影响。

因此，研究水平轴风力发电机尾流效应对于提高发电效率、降低设备成本与维护成本具有重要意义。

1. 尾流效应的概念与特点尾流效应是指水平轴风力发电机的旋转叶片排列出的一股向后倾斜的气流，主要由旋转叶片、塔架和发电机塔基等构成。

这种尾流气流不仅会对风力发电机的发电效率造成影响，同时还会对周围环境产生一定的影响。

2. 尾流效应的影响因素尾流效应的影响因素主要包括旋转叶片形状、旋转叶片数量、旋转叶片转速以及环境风速等多个方面。

其中，旋转叶片形状对尾流效应的影响较为重要，一般而言，叶片弯曲程度越大，尾流效应越强。

此外，旋转叶片数量和转速的增加也会导致尾流效应的增强。

3. 尾流效应的影响机理尾流效应的影响机理主要有两个方面。

一方面是由于旋转叶片的存在，风力发电机的工作区域会受到限制，周围环境无法充分利用风能。

另一方面是由于旋转叶片排列出的尾流气流会造成附近风力发电机的阻力增加，从而影响发电效率。

4. 尾流效应的研究方法研究尾流效应可以通过数值模拟、风洞试验以及实地观测等方法进行。

数值模拟可以通过计算流体力学方法模拟和预测尾流效应的产生和传播规律。

风洞试验可以通过模拟真实工况，进行实验性的数据采集与分析。

实地观测可以通过安装传感器在现场进行数据采集，了解风力发电机的运行状况与尾流效应。

5. 减小尾流效应的方法为了减小尾流效应对水平轴风力发电机性能的影响，可以采取一些措施进行优化设计。

首先是加强叶片的设计与制造工艺，优化叶片形状和材料，降低尾流损失。

其次是增加风力发电机的容量以及提高风车的转速，从而减少尾流效应的影响。

此外，优化风力发电场的布局也是减小尾流效应的关键。

尾流

尾流
圆柱绕流在尾缘出现涡脱落现象
飞机的翼尖出现涡脱落现象
通过平板流动在尾缘出现涡脱落现象
振荡圆柱 (Re = 185)
什么是尾流(叶片机械内的定义)？流体绕过叶片流动，在叶片的尾缘附近出现速度亏损，亏损速度区域为尾流区域。
速度
节距
尾流速度分布图
k
尾缘湍流强度分布
k w
'2
尾缘湍动能分布
尾迹向下游输运时尾迹区内的流体相对于主流流体会拥有扰动速度。尾迹区内出现扰动速度的成因：尾迹内的相对速度矢量与主流内的相对速度矢量的大小和方向存在着差别。
扰动速度的方向：这个扰动速度是尾迹内流体的绝对速度矢量与主流流体的绝对速度矢量的差，其方向由动叶压力面指向吸力面。
当尾迹经过时，动叶表面的非定常压力和速度都会受到尾迹的影响产生明显的波动。该波动的幅值与尾迹所产生的扰动速度大小密切相关，较大的扰动速度会使波动更明显，从而使压力和速度的波动更剧烈。扰动速度的大小是由尾迹亏损程度决定的，当尾迹亏损越严重，尾迹内的相对速度与主流的相对速度差距越大，因而产生的扰动速度也就更大。而尾迹是由上游静叶的附面层发展而成的，因此静叶的附面层分离损失的大小决定着其尾迹亏损的程度。
7号位置：较大的上游叶片影响，较小的下游叶片影响，最大的导流叶片之间的相互作用。 8号位置：上游导流叶片影响小，下游导流叶片影响上升40%，导流叶片-导流叶片之间相互作用强度下降了40%。 11号位置：上游导流叶片影响小，导流-导流叶片相互作用强度减小10%。
压气机叶片排内的尾迹及负射流
•在静子尾迹内部，和自由流速度相比，绝对速度 c 和轴向速度分量 cax 是减小的。 •这会导致尾迹内的相对速度减小，如果尾迹撞击在转子叶片前缘，会增大进口气流攻角。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

ＮａｊｇＵｎｖｒｉｙｏｒｎｕｉｓ＆ＡｓｒｎｕｉｓＮａｊｇ１０６，ＣｉａｎｉｉｅｓｔｆＡｅｏａｔｎｃｔｏａｔ，ｎｉ，２０１ｃｎｈｎ）
ＡｂｔａｔＴｈｅｅｏｍｅｔｏｈｋｏｎａｙａｔｒａｃｕｔｒｄｓｓｓｍｕａｅｓｎｈｏｕａｓｒｃ：ｅｄｖｌｐｎｆｔｅｗａｅｂｕｄｒｆｅｎａｔａｏｉｃｉｉｌｔｄｕｉｇｔｅｃｍｐｔ — ｔｎｌｆｕｄｄｎｍｉｓ（ｉａｌｉｙａｃＣＦＤ）ｍｅｈｄＴｏｃｐｕｅｔｅｄｔｉｆｗａｅｂｕｄｒｏｔｏ．ａｔｒｈｅａｌｏｋｏｎａｙ，ｔｅａａｔｖｐｉｇｓｈｄｐｉｅｓｒｎ－
ｍｅｈｔｃｑｕｓｕｓｄｔａｈｅｆｎｅｔｍｅｈｓａｗａｓｆｌｏｔｅｗａｕｎｒｓｅｈｎｉｅｉｅｏｍｋｅｔｉｓｓｅｌｙｏｌｗｈｋｅｂｏｄａｙｍｏｖｍｅ，ａｃｄｅｎｔｃｏｒ－ｉｇｔｈａｔｔａｈｅｖｅｏｃｔｒｄｉｎｔｉｈｅｗａｕｎｒｓｍｕｃａｇｒｔｎｉｈｒｒｇｉｎ．Ａｎｏｔｅｆｃｈｔｔｌｉｙｇａｅｎｔｋｅｂｏｄａｙｉｈｌｒｅｈａｎｏｔｅｅｏｓｗａｅｂｕｎｒｄ１ｈａｅｎｄｅｅｏｄｂａｅｎｔｅＣＦＤｅｕｌｓｋｏｄａｙｍｏｅｓｂｅｖｌｐｅｓｄｏｈｒｓｔ．Ｔｈｉｓｍｏｄｌｄｉｉｓｔｋｖｌｅｖｄｅｈｅｗａｅｄｅｅ — ｏｐｎｔｉｏｔｘｐｎｄｎｇｐｒｃｓｅｔｎｓｉｌｗｎｈｅｄｉｆｓｎｒｅｓｄｅｔｓｏｕｎｆｕｍｅｎｔｈｅｅａｉｏｅｓｄｕＯｉｖｉｃｄｆｏａｄｔｆｕｉｇｐｏｃｓｕｏｖｉｃｓｉｌ－ｅｃ．Ｔｈｅｉｂｌｔｆｔｅｍｏｌｉａｉａｅｏｍｐｒｎｇｗｉｈｅｅｉｎａａｔ．Ａｓａｄｅｏｔａｉｎｎｅｅｒｌａｉｉｙｏｈｄｅｓｖｌｄｔｄｂｙｃａｉｔｘｐｒｍｅｔｌｄａｍｎｓｒｔｏ
风力机尾流流场的数值分析和尾流边界建模
ｍ
朱Байду номын сангаас 狮王同光钟伟
（京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室，京，１０６南南２０１）
南
摘要采ＣｍｐｔｔａｆｄｄｎｍｉＣｏｕｓ的研京 № ：用计算流体力学（ｏｕａｉｎｌｌｉｙａｃ，ＦＤ）方法模拟致动盘，究了尾流边界的发展过程。
．
为了准确捕捉尾流边界细节，据尾流边界的速度梯度远远大于流场中的其他区域的速度梯度的特性，用自根使
航弹簧网格技术，网格的最密区域始终跟随尾流边界运动。于该数值模拟结果建立了一个尾流边界模型。适应使基
ＺｈｕＣｈｏｇ，ＷａｎＴｏｇｇｕｎｇ，ＺｈｎＷｅｎｇｎａｏｇｉ
（ｉｎｓｙＬａｏａｏｙｏ — ｅｓａｃｏｉｄＴｕｂｎｓｇＪａｇｕＫｅｂｒｔｒｆＨｉＴｅｈＲｅｅｒｈｆｒＷｎｒｉｅＤｅｉｎ，
第４卷第５期３
２１０１年１月Ｏ
空航天大学学报
ＵｎｖｒｉｙｏｅｏｎｔｃＡｓｒｎｕｉｓｉｅｓｔｆＡｒａｕｉｓ＆ｔｏａｔｃ
Ｖｏ．ｏ．１４３Ｎ５
Ｏｃ．２１ｔ０１
确。
关键词：力机；致动盘；数值模拟；流边界风尾
中图分类号：５；Ｋ８０３５Ｔ９文献标识码：Ａ文章编号：０５２１（０１０ — ６８０１０ — ６５２１）５０８ — ５
ＮｕｅｉａｍｒｃｌＡｎａｙｉｎｄＷａｅＢｏｎｄｒｏｌｎｇｌｓｓａｋｕａｙＭｄｅｉ０ｉｒｎｏＦｉｌｆＷｎｄＴｕｂｉｅＦｌｗｅｄｓ
该模型将尾流的发展分为与粘性无关的膨胀过程和与粘性相关的扩散过程，建模结果与实验结果吻合。在此基础上，利用该模型对高斯分布预测（ｕｓａｉｒｕｉｒｄｃｉｎＧＤ）流模型进行了修正，其更加准还Ｇａｓｉｎｄｓｉｔｎｐｅｉｏ，Ｐ尾ｔｂｏｔ使