风力机尾流计算方法
【专利摘要】本发明公开了风力机尾流计算方法，属于风力发电的【技术领域】。计算方法，利用制动盘模拟风力机，建立包含制动盘动量源项、机舱附加轴向动量源项、湍流动能源项、湍流动能耗散率源项的尾流求解模型，设置中性大气边界层条件和CFD求解参数；按中性大气边界层确定常数的取值，迭代求解过程确定尾流区风速、湍流度的分布值。本发明考虑到制动盘动量源项、机舱附加轴向动量源项、湍流动能源项、湍流动能耗散率源项对风力机尾流计算的影响，修正时均雷诺N-S方程以及方程后组成风力机尾流求解模型，在远尾流区域内自适应源项模型、固定源项模型的径向分布相同，改进型模型则进一步改进了近尾流区域的径向分布，提高了模型的计算精度。
【专利说明】风力机尾流计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了风力机尾流计算方法，属于风力发电的【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 当空气流经旋转的风轮时，由于受到叶片的阻碍和搅拌作用，会在风轮后形成尾 流区。该区域内，风速相对于来流有所降低，湍流增强，从而影响尾流区内的后排风机。对 于大型风场，这种影响可造成总出力损失10%?20%。因此在风场出力计算中，必须考虑 尾流效应。
[0003] 风力机尾流受到来流、风机气动特性以及下垫面等多种因素的影响。基于半经验 的公式模型，如N. 0. Jensen提出的Jensen模型和G. C. Larsen提出的Larsen模型，对这些 因素做了很多简化，不能满足复杂地形条件下的计算需要。如果考虑全尺度的CFD模型，直 接对风力机建模，操作困难，计算量大。为了简化CFD计算，研究者将风轮等效成制动盘、升 力线或升力面，并结合时均雷诺方程，求解尾流场。
[0004] 本文研究制动盘结合改进的k_ e湍流模型，模拟风力机尾流的数值计算方法。标 准的k_ e湍流模型适用于大部分的工业计算，并不适合计算风力机尾流，导致尾流风速明 显高于实验值，造成尾流恢复过快。El Kasmi和Christian Masson等人基于Chen和Kim 的拓展k-e模型，通过添加湍流耗散率源项，使湍流产生率与耗散率协调。El Kasmi模型 建立在将轴流简化的基础上，即认为流动关于风轮旋转中心轴对称，没有考虑风速切边和 地表粗糙度。此外，模型对动量源项的计算依赖于参考风速，在计算风场尾流时该风速难以 确定。这些将阻碍模型推广到整场尾流计算。丹麦Ris0实验室的Pierre-Elouan R6thor6 将森林冠层模型[13]用于尾流模拟。与El Kasmi模型不同是，冠层模型除了耗散率源项外， 还附加了湍流动能源项，并且两种源项都与冠层拖拽系数成正比。D. Cabez6n等人[9]考虑 了湍流在空间上的各向异性，使用雷诺应力模型求解风机尾流，得到了与测量较匹配的结 果。但是应用雷诺应力模型计算量要比二方程湍流模型增加很多，实用性差。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了风力机尾流计算 方法。
[0006] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007] 风力机尾流计算方法，
[0008] 步骤1，利用制动盘模拟风力机，建立包含制动盘动量源项Su、机舱附加轴向动量 源项S d、湍流动能源项Sk、湍流动能耗散率源项SE的尾流求解模型：
[0009]
【权利要求】
1. 风力机尾流计算方法，其特征在于： 步骤1，利用制动盘模拟风力机，建立包含制动盘动量源项su、机舱附加轴向动量源项sd、湍流动能源项Sk、湍流动能耗散率源项Se的尾流求解模型：
其中，P为流体密度，A、+为平均速度在各坐标轴的分量，p为压强，Su为平均应变 张量，# +Vi、V^为速度在各坐标轴的波动分量，μ为流体粘性系数， μt为湍流粘度系数，A= I，k为湍流动能，Pk为湍流动量生成率，ε为湍流耗散率， ε C1PC2PC1^CpC4P〇k、σε 为常数； 步骤2,设置中性大气边界层条件：速度入口u、湍流动能k、湍流动能耗散率ε、地面粗 糙长度Ks， 步骤3,设置CFD求解参数； 步骤4,按中性大气边界层确定常数C1E，C2e，Cli，〇k，σΕ的取值，开始迭代求解过程确 定尾流区风速、湍流度的分布值。
2. 根据权利要求1所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，考虑源项的径向分布参 数1，进一步修ιΗ制动盘动暈源项Su、湍流动能耗散率源项Se :
ηε。、ηε1为常数，ηε。= 〇· 〇，ηε1 = 〇· 9,F为网格中心到制动盘径向距离r对制动 盘半径D的归一量，？ = 2;·/D。
3. 根据权利要求1或2所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，步骤3中设置CFD求 解参数时，湍流粘性比上限为2X107。
4. 根据权利要求1或2所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，步骤2中的速度入口 u、湍流动能k、湍流动能耗散率ε由如下表达式确定：
其中，I为摩擦速度，ζ为离地高度，Ztl为大气粗糙度长度，表示近地层风速向下递减到 零时的高度，κ为冯卡门常数，κ= 〇. 4187,λ为模型常数，对于各向同性湍流，λ取值为 1. 5,H为轮毂高度，％、Itl分别为轮毂高度H处的风速、湍流强度。
5. 根据权利要求4所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，步骤2中所述地面粗糙长 Ez 度& 的表达式为：& E= 9. 793,Cs = 1. 0。 IS
【文档编号】G06F17/50GK104239622SQ201410448956
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】许昌, 韩星星, 王欣, 刘德有, 郑源 申请人:河海大学