[发明专利]一种基于2D_k Jensen模型的三维尾流数值模拟方法

说明书

本发明提供了一种基于2D_k Jensen模型的三维尾流数值模拟方法，可获得新型的三维尾流模型，其特征在于，包括：步骤1、计算入流风切变曲线u₀(z)以及湍流强度在垂直方向上的分布型I₀(z)；步骤2，计算尾流膨胀系数k_x,z；步骤3，基于原Jensen模型对尾流风速进行预测，得到初始尾流风速u^*(x,z)；步骤4，计算尾流膨胀半径r_x,r；步骤5，利用步骤4所得尾流膨胀半径r_x,r，基于2D_kJensen模型提出的cosine型速度分布，对步骤3所得的初始尾流风速u^*(x,z)进行三维修正，得到修正后的尾流风速分布u(x,y,z)。本发明获得的三维尾流模型继承了工程模型的优点，对流向、横风向和垂直向的尾流速度亏损均体现了良好的预测精度，且能够有效地反映垂直方向速度亏损的非对称特性，计算精度甚至优于基于CFD方法的数值模拟结果。

技术领域

本发明属于风力发电技术领域。

背景技术

风力机尾流效应会引起下游风速降低、湍流强度增加、风切变加剧等现象。风速减小使得下游机组的输出功率降低，强湍流和附加的风剪切也会影响下游机组的疲劳载荷、结构性能和使用寿命。对于规模有限的风电场而言，其内的风力机不可避免地处于周围机组的尾流之中运行，尾流效应成为风电场机组排布和优化时应考虑的重要因素。由于机组布置优化过程中需要不断地评估排列方式、安装间距变化后的影响，不可能通过资源消耗大、耗时冗长的计算流体力学(CFD)数值模拟来实现，此时必须借助工程尾流模型。

尾流模型是基于风力机空气动力学原理发展得到的数学解析模型，主要用于计算尾流区的速度分布，其简便性适合于解决风电场发电量评估和微观选址等风工程问题。从1980年起，学者们先后提出了一系列的工程尾流模型，其中， Jensen尾流模型(也称为PARK模型)因具有形式简单、计算效率高、应用方便且精度可接受等特点，被认为是开创性尾流模型，在风工程领域得到了普遍认可及广泛应用。但是，Jensen模型属于一维模型，其理论相对简单，存在一些不足之处。之后，田琳琳、杨祥生等人对Jensen模型进一步修正改进，陆续提出了几种二维(2D)Jensen模型，用于计算尾流区顺风向和横风向的速度分布情况。

风电技术近年来迅速发展，主力机型从兆瓦发展到多兆瓦级，风轮直径达到了百米量级。随着风轮扫风面积和轮毂高度的增加，风切变和湍流强度的影响更加明显。对于风轮直径超过100m的多兆瓦级风电机组，其风轮范围内的风速差别可达30％。此时，采用塔架机舱处的单点风速来计算风力机性能的常规方法会造成设计功率与实际输出功率存在较大偏差，需要整体考虑叶轮平面内风速分布。为了解决该问题，2017年3月，风电行业标准IEC 61400-12-1： 2017引入了风轮等效风速的概念，将风轮扫掠面多个高度的风速大小进行加权平均，得到能够更准确反映风轮扫掠面动能通量的等效风速，提高了风力机功率预测精度。相应地，亟需一种除尾流区流向和横风向之外，还能够同时反映垂直向速度分布的三维尾流模型，用于计算尾流区的三维速度分布，进而计算尾流区机组的入流等效风速，最终提高整个风电场的发电功率预测精度。但据调研，当前国内外普遍使用一维尾流模型，少数使用二维模型，几乎没有相应的三维尾流模型供参考和使用。

发明内容

鉴于以上不足，本发明在田琳琳等人提出的2D_k Jensen模型的基础上，综合考虑风速和湍流强度在垂直高度的分布特性及其对尾流的影响，提出一种新型的三维尾流模型。

本发明提供的技术方案为：

一种基于2D_k Jensen模型的三维尾流数值模拟方法，其特征在于，包括：

步骤1，计算入流风切变曲线u₀(z)以及湍流强度在垂直方向上的分布型 I₀(z)，计算式如下：