[发明专利]风力机尾流计算方法

说明书

技术领域

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

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。

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.O.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。

本文研究制动盘结合改进的k-ε湍流模型，模拟风力机尾流的数值计算方法。标准的k-ε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-ε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。丹麦实验室的Pierre-Elouan Réthoré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.Cabezón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

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。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

风力机尾流计算方法，

步骤1，利用制动盘模拟风力机，建立包含制动盘动量源项S_u、机舱附加轴向动量源项S_d、湍流动能源项S_k、湍流动能耗散率源项S_ε的尾流求解模型：

其中，ρ为流体密度，u_i、u_j为平均速度在各坐标轴的分量，p为压强，S_ij为平均应变张量，u_i′、u_j′为速度在各坐标轴的波动分量，μ为流体粘性系数，μ_t为湍流粘度系数，k为湍流动能，P_k为湍流动量生成率，ε为湍流动能耗散率，C_1ε、C_2ε、C_μ、C_x、C_4ε、σ_k、σ_ε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K_S；

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C_1ε,C_2ε,C_μ,σ_k,σ_ε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。

作为所述风力机尾流计算方法的进一步优化方案，考虑源项的径向分布参数η_r，进一步修正制动盘动量源项S_u、湍流动能耗散率源项S_ε：

η_ε0、η_ε1为常数，η_ε0＝0.0，η_ε1＝0.9，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，

进一步的，所述风力机尾流计算方法步骤3中设置CFD求解参数时，湍流粘性比上限为2×10⁷。

进一步的，所述风力机尾流计算方法步骤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：