風(fēng)力機尾流數(shù)值模擬及風(fēng)電場機組布局優(yōu)化研究.pdf

1、風(fēng)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪時由于部分動能被吸收轉(zhuǎn)化為機械能，風(fēng)力機下游出現(xiàn)風(fēng)速下降、湍流強度增加等現(xiàn)象，這被稱為風(fēng)力機的尾流效應(yīng)。前人的研究報告中指出，在當(dāng)前投產(chǎn)運營的風(fēng)電場中，尾流效應(yīng)會導(dǎo)致風(fēng)電場發(fā)電功率降低15％~50%不等。因此，深入研究風(fēng)力機尾流效應(yīng)具有重要意義。微觀選址工作是風(fēng)工程項目運營的前提和基礎(chǔ)，在開展風(fēng)電場微觀選址工作時，應(yīng)合理布置各風(fēng)力機的位置，盡量避開風(fēng)力機尾流的影響，提高風(fēng)電場的風(fēng)能利用率和綜合經(jīng)濟效益。近年來，隨著風(fēng)能產(chǎn)

2、業(yè)的蓬勃發(fā)展，一些地形復(fù)雜的風(fēng)電場開始投產(chǎn)運營。復(fù)雜風(fēng)電場的地形起伏變化較大、影響因素眾多，增大了復(fù)雜地形風(fēng)電場微觀選址的難度。本文圍繞風(fēng)力機尾流數(shù)值模擬、平坦地形風(fēng)電場微觀選址、復(fù)雜地形風(fēng)電場流動分布及其機組布局優(yōu)化等方面開展了如下研究工作：
　?。?）提出適用于風(fēng)力機尾流數(shù)值模擬的修正AD/RANS方法，并對其計算精度、魯棒性和通用性進(jìn)行測試。本文結(jié)果和前人的研究結(jié)果一致表明，當(dāng)采用Actuator Disc（廣義致動盤，簡稱

3、AD）方法結(jié)合RANS模型（這二者的結(jié)合為AD/RANS）模擬風(fēng)力機尾流時，得到的尾流流場與實驗結(jié)果存在一定的誤差。于是，依據(jù)AD方法的簡化思想、RANS湍流模型的特點、大氣邊界層的屬性等，分析誤差的來源，基于扎實的理論依據(jù)對湍流模型提出修正，發(fā)展了兩種適用于風(fēng)力機尾流預(yù)測的修正AD/RANS方法。通過單臺風(fēng)力機尾流、兩臺風(fēng)力機混合尾流、多臺風(fēng)力機混合尾流和偏尾流等情況的數(shù)值模擬，結(jié)果表明本文發(fā)展的修正AD/RANS方法表現(xiàn)較好、計算精

4、度較高，可作為一種基于CFD的數(shù)值方法，應(yīng)用于風(fēng)力機尾流流動機理的研究。
　?。?）基于風(fēng)工程領(lǐng)域廣泛使用的Jensen尾流模型（PARK尾流模型），發(fā)展一種較高精度的2D_k Jensen尾流模型。受制于目前的計算資源，在風(fēng)工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的依然是一些工程尾流模型。針對經(jīng)典Jensen尾流模型存在的精度不足問題，提出一種更能準(zhǔn)確反映風(fēng)力機尾流流場分布情況的模型—2D_k Jensen尾流模型。通過近十個數(shù)值算例的驗證，表明2

5、D_k Jensen尾流模型不管是對風(fēng)力機尾流中速度分布和湍流強度分布的預(yù)測還是對風(fēng)電場發(fā)電量的評估，都表現(xiàn)了較好的計算性能。由此可以推測，該方法可應(yīng)用于風(fēng)電場微觀選址工作，為開發(fā)商提供較為準(zhǔn)確的風(fēng)電場特征數(shù)據(jù)。
　　（3）針對平坦地形風(fēng)電場開展機組布局優(yōu)化研究。基于前文所發(fā)展的可靠尾流模型—2D_k Jensen尾流模型評估風(fēng)電場發(fā)電量，基于更貼近現(xiàn)實的成本模型評估風(fēng)電場項目成本，采用高效率的優(yōu)化算法和多樣的優(yōu)化策略對平坦地形風(fēng)

6、電場機組布局問題進(jìn)行優(yōu)化運算。結(jié)果中給出幾組較優(yōu)的機組布局圖和各布局所對應(yīng)的風(fēng)電場特征參數(shù)供決策者根據(jù)需求進(jìn)行選擇。該工作對于現(xiàn)實中的平坦地形風(fēng)電場微觀選址工作具有一定的參考價值。
　?。?）開展復(fù)雜地形風(fēng)電場的流動分布及機組排布優(yōu)化研究。建立復(fù)雜地形幾何模型，研究復(fù)雜地形風(fēng)電場周圍的流動發(fā)展和變化規(guī)律。針對復(fù)雜地形風(fēng)電場的微觀選址工作，研究目前常用的解耦算法（分別計算尾流效應(yīng)和地形效應(yīng)然后將二者的結(jié)果線性疊加）與常規(guī)的耦合計算方