基于Park-Gauss模型的风场尾流数值模拟

基于Park模型尾流区线性膨胀假设和径向风速呈高斯分布假设,提出一种新型工程尾流模型Park-Gauss模型,对单台风力机尾流场进行数值模拟研究。采用两种初始尾流半径(风轮半径和紧靠风轮下游处的尾流半径),分别对Park模型、2D Jensen模型以及Park-Gauss模型进行对比研究。经过与风场实测数据和风洞试验的比较,结果表明:以紧靠风轮下游处的尾流半径作为初始尾流半径会明显提高尾流场的预测精度;新提出的ParkGauss模型计算精度优于2D Jensen模型和Park模型;Park-Gauss模型可很好模拟尾流区的风速,不仅在精度上与试验结果接近,而且在径向分布上也更符合真实流场。     

一种新修正的风电机组尾流分析模型

基于尾流区线性膨胀、径向风速损失呈高斯分布的假设,在BP模型基础上建立一种新修正的风电机组尾流分析模型。该模型针对BP模型无法对近尾流区进行分析的问题,基于质量守恒原理求解近尾流区速度损失分布;通过大涡模拟数据拟合,对BP模型中速度损失标准差方程进行修正,提升了模型在不同地表粗糙度下的计算精度。采用大涡模拟数据对多种工程尾流模型的计算结果进行比较。结果表明,相比于Jensen、Frandsen和BP模型,该模型能更好地预测全尾流范围的径向速度分布,并且具有更高的计算精度。     

基于2D Frandsen模型的风力机尾流数值模拟

针对二维尾流模型计算精度不高的问题,基于Frandsen模型和径向尾流速度亏损呈高斯分布假设,提出一种2D Frandsen模型,该模型同时考虑环境湍流强度和地表粗糙度对尾流的影响。通过2D Frandsen模型对单台风力机尾流场进行模拟,并将模拟结果与风场实测数据和风洞实验数据进行对比,结果表明,该文的2D Frandsen模型可准确预测多种工况下尾流区域的各点风速,在径向分布上更符合真实流场,计算精度优于修正Frandsen模型和2D_k Jensen模型。     

基于Park-Gauss模型考虑大气稳定性对布局优化的影响

基于Park模型尾流区线性膨胀假设和径向风速呈高斯分布假设,提出一种新的修正型的工程尾流模型Park-Gauss模型,采用小生境遗传算法,并考虑大气稳定性对风电场布局优化的影响。结果表明:对常风速单风向风电场微观选址布局优化结果是风力机组主要布置在垂直风向的第1排和最后1排;大气边界层稳定性对风电场微观选址布局优化影响显著,在大气边界层不稳定状态下,风电场安装机组总数最多、发电总量及风电场利用效率最高,中性状态和稳定状态依次次之。     

基于改进的Jensen模型尾流数值模拟研究

为提高垂直方向尾流速度的预测精度，基于尾流速度在垂直方向呈现多项式分布的假设，考虑不同高度自然风速对尾流速度的影响，提出一种改进的Jensen尾流模型。以单台风力机作为研究对象，采用Jensen模型、高斯模型和改进的Jensen模型分别对风力机尾流速度进行数值模拟，并基于改进的Jensen模型分析大气稳定性对尾流速度恢复的影响。仿真结果表明，改进的尾流模型精度优于Jensen模型和高斯模型，在下游2.5D、4.0D和8.0D(D为风轮直径)距离处的误差低至7.35%、2.82%和3.44%。尾流速度恢复和大气稳定性密切相关，越稳定的大气层湍流强度越小，越不利于尾流速度恢复。     

改进风力机三维尾流模型及其风速预测准确性研究北大核心CSCD

针对大型风力机受来流风切变影响,风速差最大达到30%的问题,文章以2D_K Jensen尾流模型为基础,提出了一种改进的三维尾流模型。该模型基于质量守恒理论,通过综合考虑入流的风切变效应、尾流区域的湍流强度分布和各异性的尾流扩展率等因素,修正垂直剖面尾流速度的非对称分布,提高了尾流模型在近尾流区的预测精度。通过与风洞实验测试数据进行对比分析,发现文章提出的修正模型在近尾流区与风洞测试数据吻合较好。该模型能够较好地预测单个风力机尾流区域的速度分布,且无需数值模拟确定经验参数,可用于风电场的微观选址和发电量评估。     

基于改进k-ω SST模型的风力机尾流数值模拟

基于双方程k-ω SST模型提出两种改进湍流模型,采用丹麦科技大学的自编求解器EllipSys3D结合致动盘方法,对单台风力机尾流流场进行数值模拟。该文将SST-sust模型引入到风力机尾流的数值研究中,为了更进一步增大预测到的湍流强度和提高尾流恢复速度,提出SST-Csust模型和SST-Dsust模型,它们是在SST-sust模型的基础上分别调整湍流模型的封闭常系数、修正ω方程的耗散项。通过与理论、实验以及LES模型进行对比分析,结果表明该文提出的改进模型在尾流区速度分布和湍流强度分布的预测方面可取得较好的应用效果。     

风力机三维尾流模型的提出与校核

针对大型风力机叶轮范围内风剪切效应突出以及当前工程尾流模型局限于二维空间而忽略垂直方向风速变化的问题,该文综合考虑风速和湍流强度切变效应对尾流的影响,在前期所发展的二维2D_K Jensen尾流模型的基础上,提出一种新型三维尾流模型。之后,新模型被应用于多种工况条件、多种类型的风力机尾流计算中,较为全面地验证其精度及适用性。通过与外场实测和其他高精度数值模拟的结果进行对比,表明新模型对流向、横风向和垂直向的尾流速度均具有良好的预测精度,将来可应用于大型风电场发电量评估和微观选址工作。     

半经验风力机尾流模型的研究

以探究基于势流理论的半经验公式型的风力机尾流模型为目的,研究无粘近场尾流模型和两个远场尾流模型,即Jensen模型与改进Jensen模型。针对两种Jensen模型的不足提出物理模型的修正,得到改进的远场尾流模型,同时结合无粘近场尾流模型,建立两种全场尾流模型,并将其分别与风力机尾流流场实测数据和其他模型计算结果进行比较。结果表明,对两种Jensen模型所提出的修正符合实际流场的特性,所建立的两种全场尾流模型结构简单,流速计算结果与实测数据一致,优于常用的Jensen模型与改进Jensen模型。     

前后风力机尾流干扰实验分析及混合尾流模型验证

为研究两台水平轴风力机在不同排布下尾流的相互影响,开展两台风力机串联和错列工况下的尾流速度风洞测量实验。实验结果表明：对相同来流情况,风力机不同排布下混合尾流的尾流膨胀速率相同;串联风力机的轴向间距小于6倍风轮直径时,其混合尾流比单台风力机尾流恢复快。另外,对已有尾流模型的叠加方法（速度亏损平方和法）进行了验证。结果显示基于Park-polynomial模型和Park-Gauss模型得到的叠加尾流在距下游风力机3.5倍风轮直径的截面与测量值吻合良好。之后的截面高估了尾流的速度亏损。该研究为发展更准确的尾迹模型提供了风洞测量数据,对风电场内风力机排布优化有一定的工程意义。     

基于Frandsen尾流半径假设的风力机尾流模型研究

在Frandsen非线性尾流半径假设的基础上,推导得出考虑环境湍流强度和风力机推力系数影响的Frandsen高斯修正尾流速度模型,并提出Frandsen双高斯湍流强度模型。以600 kW单风力机为案例,通过开展风洞试验和大涡模拟2种研究手段验证2个修正模型的预测效果。结果表明,Frandsen高斯修正尾流速度模型在径向尾流上预测效果更好,模型平均误差下降至7%,优于Frandsen速度模型。Frandsen双高斯湍流强度模型则能更好反映实际湍流强度在尾流场的变化特征。2种修正模型均比传统模型具有更好的预测效果,为风力机设计提供了新的尾流模型。     

基于二维尾流模型的风电场产能分析

文章提出了同时考虑径向上的非均匀风速分布和轴向控制体侧面上空气流量变化对尾流风速影响的改进模型。采用Jensen模型、轴向改进的半经验模型、径向改进的二维模型、文章提出的改进模型进行风电场产能分析,验证不同尾流模型用于风电场产能分析时的计算精度。计算的产能结果与江苏省某风电场的实际产能进行对比,结果表明,文章提出的改进模型具有较好的计算精度。风电场的产能损失主要来源于尾流损失,其主要取决于3个因素:(1)风力机与上风向风力机间距的大小;(2)尾流效应影响的风向上的风速在全年风速中的比例大小;(3)是否受多台风力机尾流叠加影响。文章提出的改进模型能提高风电场产能的评估精度。文章提出决定尾流损失的3个因素对优化风电场的排布设计、提高风电场的总产能和经济效益具有重要指导意义。     

基于SCADA数据海上风电场解析尾流模型可靠性与尾流叠加研究北大核心CSCD

针对工程中常用的解析尾流模型适用性及精确度存在较大不确定性的问题,文章利用国内某海上风电场运行的SCADA数据,分别对Jensen模型、Frandsen模型和Gaussian模型等主要解析尾流模型进行可靠性验证和分析。在此基础上,提出了更加适用的尾流模型参数选取方案,参数修正后的Gaussian尾流模型的评估精度提升约50%。此外,为了分析海上风电场的尾流叠加特性,文章采用场内实测数据进行分析,并与工程尾流叠加模型计算结果进行对比,结果表明,工程尾流叠加模型仍存在一定改善空间。     

计及能量掺混的风电机组尾流叠加模型研究

风电机组可能受上游多台机组尾流共同影响,工程中一般应用叠加模型来模拟这种尾流叠加效应。尾流区与周围大气的能量掺混导致了尾流恢复,目前常用的尾流叠加模型无法体现这个效应。应用一维动量理论计算风电机组尾流区从周围大气吸收的能量,在能量守恒叠加模型的基础上,通过补充这部分掺混能量对其进行修正,从而提高了尾流场模拟精度。在Lillgrund海上风电场应用能量掺混叠加模型,流场模拟结果与实测数据对比表明,该模型可以准确模拟风电场内机组功率变化趋势,且相较于传统模型计算精度更高,对风电场发电量计算具有一定的参考价值。     

风力机三维尾流模型研究与验证

考虑风剪切效应，提出一种高斯形状的三维尾流模型（3DG-k）。该模型定义尾流半径rw等于两倍的高斯特征参数σ，并与物理尾流边界的扩展系数k建立联系，来描述风轮后尾流边界的演变规律。通过GH风洞实验数据、Nibe风电场实测数据、Vestas V80-2 MW风力机大涡模拟数据，对3DG-k模型、Jensen模型、三维高斯模型（3DG）及三维椭圆高斯模型（3DEG）进行对比分析。研究结果显示，3DG-k模型在3种案例中均显示出最佳的预测精度，更适用于工程实际应用。     

刷式密封泄漏特性数值方法研究与实验验证

从数值方法和实验测试两方面研究刷式密封的泄漏流动特性。分别建立刷式密封稳态多孔介质模型和瞬态三维流固耦合模型,设计搭建了刷式密封泄漏特性实验台,用实验方法研究了进出口压比和密封间隙对刷式密封泄漏特性的影响,对比验证了两种数值方法的准确性,分析比较了两种数值方法的优缺点。在此基础上,用数值方法研究了刷式密封流场特性,分析了刷丝束内部轴向和径向的压力分布特性以及刷丝的"吹闭效应"。研究结果表明:刷式密封瞬态三维流固耦合模型比多孔介质模型求解精度更高,与实验结果更贴近,但求解时间较长;多孔介质模型计算时间短,但该方法需要对孔隙率和阻力系数进行修正,求解不具有普适性;密封间隙一定时,泄漏量随压比的增大而近似呈线性增大;压降主要发生在刷丝束区域,刷丝束轴向压力分布不均,前排刷丝束之间压力梯度较大;径向压力沿轴向分布不均,末排刷丝束径向压力梯度较大,径向压差的存在是产生"吹闭效应"的重要原因。     

基于修正湍流模型的致动盘方法研究

针对现有致动盘模型高估尾流速度的问题,对动量源项进行修正,以正确反映风轮对来流的作用;对湍流模型进行修正,在标准k-ε方程中添加湍流动能源项和耗散率源项,使湍流动能的生成和耗散相互协调;修正耗散率源项系数,使其沿径向服从抛物线分布。选取风洞实验数据对模型进行验证,并对串列和错列排布下的尾流流场进行分析。结果表明:串列排布时尾流的速度损失和湍流强度均增加,并随间距的增大而减小;错列排布对尾流湍流强度的影响大于对速度的影响,下游尾流会出现湍流强度不对称现象,横向间距为1D时最为严重,横向间距为4D时仍可观察到不对称现象。     

风电场的机组布局优化研究

以风电场年发电量和总投资成本为目标对平坦风电场机组布局进行优化。以统计得到的真实风资源分布作为输入,采用修正的Jensen尾流模型模拟机组之间的尾流干扰效应,根据实际工程经验对风电场的总投资成本进行数学建模。然后,基于NSGA-Ⅱ算法以机组总台数和每台风力机位置为决策变量,以年发电量和总投资成本为目标函数进行多目标优化。另外,该文还将上述两个目标折合为单目标(度电投资成本)进行优化。最后,给出多目标和单目标优化得到的风电场特征参数包括总投资成本、年发电量、风电场效率、度电投资成本以及相应的机组布局轮廓图。     

单列风电机组尾流优化模型的研究及应用

为了使风电场的经济性达到最佳,以实际工程案例为出发点,选择改进的Park尾流模型,在盛行风向上建立不同风电机组的布置方案,对比分析了采用四种风电机组间距、三种大气稳定度和两种风电机组型号的尾流优化模型目标函数。结果表明,随着风电机组间距比L_1/L_2的增加,风电机组的总尾流先减小后增加,且在L_1/L_2等于1时达到最小;考虑尾流效应的年总发电量先增加后减小,且在L_1/L_2等于1时达到最大。这一结论将为今后尾流优化模型的研究提供新的理论依据。     

热稳定性对近海风电场影响研究

通过某近海风电场热稳定性研究,比较得出适合近海风电场的热稳定性判断方法,并研究不同热稳定性下风电机组输出功率特性,分析粗糙度和热稳定性对风电场影响关系,修正Jensen的尾流损耗系数。结果显示:热稳定性随时间变化,对海上风电场风能影响较大,不同热稳定性条件下风力发电机组输出功率变化规律不同,修正后的尾流模型计算结果与实际值接近。