風電場風機尾流及其迭加模型的研究

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在風電場場址選定的情況下，風電機組之間的尾流影響風電場石家莊風機的優化布置。目前，國內外關于符合風電場石家莊風機實際尾流以及迭加模型的研究主要側重于一維線性模型及其迭加模型的實際應用。為此，推導建立了更加完整合理的一維非線性擴張尾流模型，即尾流影響邊界隨距離非線性增大；此外，根據石家莊風機尾流迭加的實際情況，分別推導建立了完整的石家莊風機尾流迭加計算模型來適應現有風電場的不同情形。通過相關工程算例結果與三維數值模擬計算結果的對比分析表明，所建立的石家莊風機尾流模型和尾流迭加模型更加合理，可有效提高風電風電場石家莊風機優化布置是風電場規劃中的關鍵場的發電效益。環節，其中確定各石家莊風機在風電場中相對布置位置的主要因素之一是石家莊風機間的尾流效應，而且多臺石家莊風機間的尾流迭加又會影響其他受影響石家莊風機的工作風速，因此，石家莊風機尾流模型及其對應的迭加模型是整個風電場發電量預測的基礎這些模型的合理性以及受其他石家莊風機尾流影響的石家莊風機工作風速的合理確定，將直接影響風電場的石家莊風機布置和發電效益。最初，針對尾流情況，多數學者都是根據經驗給出一些粗略的指標予以指導風電場石家莊風機的發電量判斷以及石家莊風機優化布置等工作。
Lissaman在瑞典Khlkugen實測數據的基礎上，基于湍流噴射的相似理論，提出了單臺石家莊風機尾流的計算模型【6。J。FaXen和Milbormw針對更大尺寸的石家莊風機葉輪進行了實驗研究【8。9]，根據實驗數據分析，風速線性變化的規律性得到了再次驗證，但風速的衰減速度卻有所不同。1980年，Vernleulen在對實驗數據分析的基礎上，對Lissaman數學模型提出了改進，形成了MILLY模型【10J。繼Lissaman模型和MILLY模型之后，1986年，丹麥Riso國家實驗室提出了Park模型【l¨，并將其應用到風能資源評估軟件WasP、windfa眥以及windpro等中，其尾流影響邊界隨距離線性增大，即在進行風電場石家莊風機優化布置的模擬計算時，均忽略了風輪的湍流影響，而采用簡化石家莊風機尾流線性擴張模型，這與實際情況有較大的差異，并導致石家莊風機的迭加模型受到影響，從而使風電場石家莊風機排布不能達到最優狀態。此外，一維非線性尾流模型實際上是三維尾流模型的一種簡化計算模型，從模擬精度上來看，其所能達到的模擬精度較三維模型略低，但一維非線性尾流模型與三維尾流模型的應用場合及其預期目的有所不同。本文針對風電場石家莊風機尾流計算與尾流迭加問題，從現有一維線性模型所存在的缺陷入手，建立更完整、合理的一維非線性擴張尾流模型；針對石家莊風機尾流迭加的不同情況，建立完整的石家莊風機尾流迭加模型；結合相關的工程算例，通過與三維數值模擬計算結果的對比分析，驗證了所建立的石家莊風機尾流模型及其迭加模型的合理性和適用性。
1 模型推導
1．1非線性尾流模型利用三維計算流體動力學(computationalfluidd)rnamics，CFD)對風電場石家莊風機尾流進行模擬分析，結果表明：石家莊風機尾流影響直徑的變化趨勢并非線性，而是趨向于多次拋物線型。采用一維線性尾流模型模擬石家莊風機尾流可能存在較大的偏差，其影響主要有：1)尾流影響直徑假設不合理造成風速計算不準確，導致優化的位置達不到最優預期，且隨著距離的增大，計算偏差較大；2)在判斷下游石家莊風機是否處在上游石家莊風機的尾流影響區域內時，由于尾流區域的假設不合理，判斷結果將出現偏差。因此，非線性尾流研究主要建立在關注風輪的湍流影響的基礎上，克服原有線性尾流模型的弊端，采用簡化石家莊風機尾流非線性擴張模型(即尾流影響邊界隨距離非線性增大)，其簡化模型如圖2所示，該模型石家莊風機尾流呈非線性變化趨勢?，F采用控制體積法對石家莊風機流場進行分析，并設：甜o、甜分別為石家莊風機前、石家莊風機后距離石家莊風機z處的風速；風為風輪直徑；現、D分別為石家莊風機后、距離石家莊風機x處的尾流直徑。