风力机尾流场的实验研究_杨瑞

风力发电机组的尾流效应研究与优化

引言

随着对可再生能源的需求不断增长，风力发电作为一种清洁且可持续的能源形式受到了广泛关注。然而，风力发电机组在发电过程中会产生尾流效应，这一效应对于机组后方的发电机组和环境都会产生一定影响。因此，研究和优化风力发电机组的尾流效应显得非常重要。

尾流效应及其影响

尾流效应是指风力发电机组运转时，机组旋转的风叶会引起机组后方的气流下降速度增加、气压增大以及湍流强度增加等情况。这种气流扰动会对机组后方的其他发电机组以及周围环境造成一定的影响。

对于机组后方的发电机组来说，尾流效应会导致其收到来自前方机组产生的湍流扰动，从而减少了被风力利用的效率。尤其在多台机组并网的情况下，若未对尾流效应进行优化，会导致前排发电机组产生明显的功率损失。因此，研究尾流效应对发电效率的影响，并针对性地进行优化，对于提高整个风电场的发电能力至关重要。

另一方面，尾流效应还会对周围环境产生影响。高速下降的气流会导致周围地面气温升高、湿度降低以及土壤水分蒸发速度加快，可能对农作物生长和土地利用产生一定的负面影响。此外，尾流效应还可能对气象和大气环境产生一定的干扰。因此，优化风力发电机组的尾流效应对于减少对周围环境的负面影响具有重要意义。

尾流效应的研究方法

研究风力发电机组的尾流效应通常采用实地观测、数值模拟以及风洞试验等方法。实地观测是直接观察机组运转时尾流效应的发展和变化情况。通过布设风速仪、湍流传感器以及气象观测设备等，可以获取到尾流效应产生的数据，并分析其对发电机组和环境的影响。这种方法可以提供实际运转状态下的尾流效应数据，对于研究和优化具有重要参考价值。

数值模拟是通过计算流体力学方法对尾流效应进行模拟和分析。研究人员利用风力发电机组的几何参数和运转条件建立数学模型，运用计算流体力学软件模拟机组运转时的风流场分布、湍流强度以及气压分布等信息。通过数值模拟可以更为全面地了解尾流效应的分布和变化规律，并指导优化设计。

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。

大型风力机变桨角度对尾流特性影响的研究

孙芳锦;贺伟盼;邓富河;卢琛;张大明

【期刊名称】《中国测试》

【年(卷),期】2022(48)8

【摘要】以往很少有学者研究大型风力机变桨条件下的尾流,而变桨角度对于大型风力机的尾流特性影响重大。选用美国可再生能源实验室(NREL)大型海上5 MW风力机作为研究对象。根据风力机机械相似准则,将风力机缩小为原尺寸的1/10,基于粘性k-ω风力机的尾流影响的距离越远,所有工况的尾流均在4D左右就开始明显变弱,并且在风力机旋转域周围的风速变化均较剧烈,旋转域后3D内尾流较为对称;背风面速度云图中有着较为清晰的叶轮轮廓,可能是因为旋转域中风力机叶片背风面的边界层的厚度较大,从而使得此处风速降低;受到变桨的作用,外流域尾流气压气流出现偏转现象,距离风力机越远空气流速差也越来越小。

【总页数】8页(P9-16)

【作者】孙芳锦;贺伟盼;邓富河;卢琛;张大明

【作者单位】桂林理工大学土木与建筑工程学院;广西嵌入式技术与智能系统重点实验室;桂林理工大学信息科学与工程学院

【正文语种】中文

【中图分类】TM315

【相关文献】 1.摩擦非线性对大型风力机变桨距电液伺服动态加载系统的影响2.大型风力机变桨距加载系统多余力抑制方法研究3.大型风力发电机变桨距控制的建模及仿真研究4.大型风力机变桨系统前馈反馈复合控制仿真研究5.大型风力机变桨距加载系统流量补偿方法研究

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轮毂高度差或上游风力机偏航角对风力机总功率输出的影响

第34卷第22期农业工程学报 Vol.34 No.22 2018年 11月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov. 2018 155

轮毂高度差或上游风力机偏航角对风力机总功率输出的影响

杨从新1,2，何攀1，张旭耀1，张亚光1，金锐1

（1. 兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050； 2. 甘肃省流体机械及系统重点实验室，兰州 730050）

摘要：为了研究风力机间轮毂高度差或上游风力机偏航角对风力机总功率输出的影响，该文以NREL 5 MW风力机作为研究对象，基于OpenFOAM开源软件，使用致动线模型和大涡模拟相结合的数值方法。首先对致动线模型中的重要参数高斯分布因子（ε）做了研究，并对数值方法做了可靠性验证；其次对风力机不同叶尖速比下的尾流速度特性进行了分析；最后研究了2种能减小上游风力机尾流效应而使下游风力机输出功率增大的方法。结果表明：在致动线模型中，风轮直径上有50个网格节点，ε取值为1.6倍的网格尺度时，风力机功率的相对误差最小，为1.1%；风力机尾流速度分布与叶尖速比有关，叶尖速比较大时，近尾流区的速度亏损大，尾流场的速度恢复比较快，叶尖速比比较小时，近尾流区的速度亏损小，尾流场的速度恢复比较慢；串列风力机轮毂高度不同或上游风力机存在偏航角时，可以增大下游风力机功率输出从而增大2台风力机的总功率输出。在入流速度为7 m/s，两台风力机间距离为6倍风轮直径的条件下，当上游风力机轮毂高度减去下游风力机轮毂高度的差值为0.25、0.5和0.75倍的风轮直径时，相比于上、下游风力机不存在轮毂高度差，下游风力机功率输出依次增大了1.36、2.50、4.50倍，2台风力机总功率依次增大了20%、56%和66%。当上游风力机偏航角为15°、30°和45°时，相比于上游风力机偏航角为0°，下游风力机功率输出依次增大了1.58、3.36和4.26倍，两台风力机总功率依次增加了18%、30%和22%。此研究结果可为探究提高风场总功率输出的方法提供参考。关键词：风力机；数值分析；尾流；偏航角；轮毂高度差；总功率输出；致动线；OpenFOAM doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.22.019 中图分类号：TK83 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2018)-22-0155-07

风电场的尾流效应

王杰

（华北电力大学，保定，071003））

摘要：详细分析了尾流效应模型和尾流效应对不同位置风机风速的影响,以某风电场为例取得了考虑以上因素时风电场的风速散布和实际输出功率，在此基础上，改良基于风电场端口输出特性的风电场等值方式。

0 引言

随着煤、石油、天然气等化石类非再生能源的日趋枯竭和全世界生态环境的不断恶化，风电作为一种可再生的干净能源进展愈来愈快。可是由于风能具有随机性和间歇性的特点，风电场的输出功率也存在着周期性的波动，功率的转变会对电网产生一系列的影响，只要包括电压的波动和闪变、对接入点短路电流的影响、并网进程对电网的冲击、对频率的影响等等。因此成立适合的动态模型，准确地模拟风电场动态行为是仿真研究结果可信度的关键。

1尾流效应模型

基于风电场端口输出特性的风电场等值方式，未考虑由尾流效应对不同位置风机的影响，而统一的将所有风机的风速视为相等的。如此对于等值结果会造成必然的误差，本文意在将尾流所造成的风机输出功率不同的影响考虑在内而提高等值的精度。在风电场中，各台风力发电机排列在不同的位置上。由于尾流的影响，座落在下风向的风电机组的风速将低于座落在上风向的风电机组的风速，一般称之为尾流效应。肯定尾流效应的物理因素主要有机组间的距离、风电机组的功率特和推力特性和风的湍流强度。

受尾流影响的风的湍流强度是：

0/()/G (1)

其中G和0别离是风电机组产生的湍流和自然湍流的均方差，是平均风速，通常情形下，G=，0=。

图1是尾流效应的Jensen模型，Jensen模型较好地模拟了平坦地形的尾流情形。

图1尾流效应模型 (Jensen模型)

假设风电场是均匀场，X是两个风电机组的距离，叶轮半径和尾流半径别离是R和WR；自然风速、通过转子的风速和受尾流影响的风速别离是0v，Tv，Xv。据动量理论有：

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

1 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

风机尾流模型验证

----宋停云与您分享----

----宋停云与您分享---- 风机尾流模型验证

风机尾流模型是用于研究风机运行时产生的尾流对周围环境的影响的数学模型。在本文中，我们将按照以下步骤进行验证风机尾流模型。

第一步：了解风机尾流模型的基本原理和假设。风机尾流模型基于涡旋理论和流体动力学原理，假设尾流是由一系列相对高速的气流旋涡组成的。了解这些基本原理和假设将有助于我们理解模型的工作原理。

第二步：收集实验数据。我们需要在实际风机运行时收集一些相关数据，例如风机的转速、叶片的几何形状、环境条件等。这些数据将用于验证模型的准确性。

第三步：建立数学模型。根据已知的理论和假设，我们将建立一个数学模型来描述风机尾流的行为。这个模型可以包括一系列方程和参数，用于计算尾流的速度、压力等。

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----宋停云与您分享---- 第四步：进行模型验证。将收集到的实验数据输入到模型中，并与实际观测到的尾流行为进行比较。如果模型能够准确地预测实际情况下的尾流行为，那么我们可以说这个模型是有效的。

第五步：分析验证结果。对比模型预测的尾流行为和实际观测到的尾流行为，分析它们之间的差异和相似之处。如果模型与实际情况一致，我们可以得出结论，模型是准确的。

第六步：修正和改进模型。如果模型与实际情况存在较大的差异，我们需要重新审视模型的假设和参数，并对模型进行修正和改进。这可以包括调整模型中的方程和参数，或者引入更复杂的数学方法来描述尾流行为。

第七步：再次验证模型。使用修正后的模型再次验证，并与实际情况进行比较。如果新模型能够更准确地预测实际尾流行为，那么我们可以说这个模型是可靠的。

最后，需要注意的是，风机尾流模型是一个简化的数学模型，它无法完全描述复杂的尾流行为。因此，----宋停云与您分享----

----宋停云与您分享---- 在实际应用中，我们仍然需要结合实验数据和实际观测来对尾流进行评估和分析。

钝尾缘风力机翼型气动性能计算分析

第46卷第2期

2010年1月机械工程学报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.46 No.2

Jan. 2010

DOI：10.3901/JME.2010.02.106

钝尾缘风力机翼型气动性能计算分析*

杨瑞1, 2 李仁年1, 2 张士昂1, 2 李德顺1, 2

(1. 兰州理工大学流体学院兰州 730050； 2. 甘肃省风力机工程技术研究中心兰州 730050)

摘要：钝尾缘风力机翼型有较好的结构和气动性能，是目前多被用于大型风力机叶片靠近轮毂区域的选定翼型。但钝尾缘翼型也有缺点，易产生大的脱流涡，这会降低叶片的气动性能。为了更好地研究钝尾缘翼型的性能，以了解其气动性能的降低能否与其结构性能的优化相匹配。采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics，CFD)方法，对薄尾缘翼型S809和改

进的钝尾缘翼型S809-100的性能进行模拟和对比，结果表明相对于薄尾缘翼型，钝尾缘翼型可以增大断面的最大升力系数和升力曲线斜率，并可以降低翼型污染对翼型升力影响的敏感度。

关键词：钝尾缘翼型风力机气动性能计算流体力学中图分类号：TK83

Computational Analyses on Aerodynamic Characteristics of Flatback

Wind Turbine Airfoils

YANG Rui1, 2 LI Rennian1, 2 ZHANG Shiang1, 2 LI Deshun1, 2

(1. Fluid School, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050; 2. Engineering Center for Wind Turbines of Gansu Province, Lanzhou 730050)