[发明专利]一种风力机尾流风速的算法

说明书

本发明为一种风力机尾流风速的算法，包括：步骤一：对入口边界条件进行初始赋值，设经过风力机的入流风速为u₀、湍流动能为k、耗散率为；步骤二：采用致动盘模型下的带叶轮动量源项和机舱的动量源项的不可压N‑S方程；步骤三：采用带有湍流动能源项和耗散率源项的湍流模型；步骤四：结合上述三个步骤进行求解风速。本发明解决单独采用致动盘方法计算尾流时，尾流恢复过快的问题，以及现有的修正方法对计算精度提升幅度不大的问题，在原有湍流动能源项的基础上，添加耗散率源项，使尾流中湍流动能的生成和耗散规律更加符合实际，由此提升尾流计算精度。

技术领域

本发明涉及风力机尾流计算方法，具体涉及一种对k-ε湍流模型修订的风力机尾流计算方法，本发明属于风力发电领域。

背景技术

随着国家环保意识的提高，清洁能源发展对促进国民经济的进步和保护环境来说至关重要，而风能作为一种重要的清洁能源，在未来将会占据重要的地位。在风力发电的过程中，风力机尾流效应的研究对于风电场机组布局，风力机功率数据的采集有着重要的指导意义，近年来引起专家学者们的密切关注。

对于风力机尾流的数值研究，一般来说，计算精度主要依赖于两部分：一是对风轮本身的模拟，也就是说采用合适的模型模拟风力机的存在及其对周围大气产生的影响；二是对大气边界层的模拟，它是指选取适当的湍流模型预测风场内大气湍流的流动状况。

对于风轮的模拟，目前的方法主要采用致动系列方法，所述致动盘模型将风轮简化为一个圆盘，与风轮同轴。在实际的建模中，该圆盘并不真实存在，实质上致动盘是一个可穿透的圆柱形薄盘。根据动量理论，致动盘与风轮同轴，厚度为Δx，直径与风轮相当设为D，假设入流风速为u₀,则致动盘处风速为：u_D＝(1-a)u₀，式中：a为诱导因子，其值可由推力系数得到，即：于是，风轮单位体积的动量源项为：ρ为空气密度，C_x＝4a/(1-a)为对应的致动盘的拖曳系数。

由于空气无法从机舱区域流过，因此可以认为属于固体绕流，参照致动盘假设，机舱可定义为：式中，C_D为机舱的拖曳系数。

对大气边界层的模拟，关于大气边界层的模拟，主要是指对大气湍流的模拟。对计算条件要求不高的雷诺平均方程即N-S方程加k-ε湍流模型的方法得到了工程界的普遍认可和广泛使用。尽管N-S方法有着诸多不可比拟的优势，但在解决某些复杂流动问题时存在一些不足，如低估尾流速度的亏损，加快尾流的恢复以及缩小尾流半径等。对此，学者们提出了各种修正模型用于提高风力机尾流的模拟精度。国际上，Kasmin和Masson建议在k-ε模型方程即湍流模型方程中添加一个表示从大尺度涡到小尺度涡能量传递关系的源项。将两部分算法结合起来，计算出相应的尾流速度场，El Kasmi A较早提出通过添加耗散率源项的方法，使湍流动能生成与其耗散相互协调，修正后计算精度有所提升，但是幅度不大，需要继续改进。

发明内容

为了解决单独采用致动盘方法计算尾流时，尾流恢复过快的问题，以及现有的修正方法对计算精度提升幅度不大的问题，在原有湍流动能源项的基础上，添加耗散率源项，使尾流中湍流动能的生成和耗散规律更加符合实际，由此提升尾流计算精度，本发明提供一种风力机尾流风速的算法，包括如下步骤：

步骤一：对入口边界条件进行初始赋值，设经过风力机的入流风速为u₀、湍流动能为k、耗散率为；

步骤二：采用致动盘模型模拟风轮影响，得到带源项的不可压N-S方程，所述N-S方程带有的源项为叶轮动量源项S_u和机舱的动量源项S_d；所述带源项的不可压N-S方程为两方程：