[发明专利]一种基于改进型AD/RSM模型的风力机尾流模拟方法

说明书

本发明公开了一种针对风力机尾流的改进型AD/RSM数值模拟方法，包括以下步骤：建立物理模型，生成计算网格并确认边界条件类型；根据风力机的实际工况对入口边界的大气湍流变量进行初始赋值；设置粗糙壁面边界条件；将经典致动盘模型嵌入RANS控制方程；修正标准雷诺应力湍流模型的参数；进行离散求解，进行风力机尾流数值模拟，得到风力机尾流区湍动能；对风力机尾流区湍动能进行后处理，得到近和远尾流区流向湍流强度。本发明可以实现风力机尾流的准确模拟，尤其是尾流速度与湍流强度分布预测，为大型风电场流场模拟及机组发电量评估提供了可靠的计算方法。

技术领域

本发明涉及风力机的设计，尤其涉及一种风力机尾流模拟方法，属于新能源风力发电技术领域。

背景技术

风流经风力机后在其下游形成尾流，出现风速减小、湍流强度增大、风剪切加剧等现象。风速减小将使下游机组的输出功率降低，强湍流和附加的风剪切影响下游机组的疲劳载荷和安全寿命。因此，开展风力机尾流研究对风力机设计和发电功率预测等工作具有重要科学意义和应用价值。

虽然风洞或外场实验测量相对真实可靠，但存在成本高昂、不能提供全流场信息等问题，而数值模拟在计算成本、精度和信息全面性等方面达到了较好的平衡。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)作为一种重要工具，被广泛应用于风力机尾流研究。其计算精度主要依赖于两部分：一是对风轮本身的模拟，即模拟风力机的存在对周围大气产生的影响；二是选取合适的湍流模拟方法体现大气湍流、尾流湍流等。对于风轮建模，主要有两大类方法：全尺寸直接模拟方法和致动系列方法。其中，致动类方法是采用虚拟体积力作用于流场特定区域，大量减少网格数量并降低了网格生成难度；同时，由于较多的计算资源可用于风力机尾流的捕捉，因此比较适用于尾迹流场计算。尤其是在大型风电场中，需要考虑数十上百台机组尾流，以经典致动盘(actuator disc,AD)为代表的致动类方法的优势更为突出。

在湍流模拟方面，结合湍流模型的RANS方法仍是风力机尾流模拟的主流。然而，大量研究表明，各经典湍流模型存在不同的问题，如k-ε模型预测到的近尾迹区扩散效应太强，SST k-ω模型预测到的远尾流速度恢复能力不足等。针对于此，学者们相继开展了经典湍流模型的精度校核和改进工作。特别地，Nguyen等(Nguyen V T,Guillou S S,ThiébotJ,et al.Modelling turbulence with an Actuator Disk representing a tidalturbine.Renewable Energy,2016,97:625-635)对比研究了经典的涡黏性模型(EVM)和雷诺应力模型(RSM)模型，结果表明RSM模型由于能够较好地体现湍流各向异性特点，在风力机气动特性和尾流预测方面表现出一定的优越性。然而，Shives等(M.Shives,C.Crawford.Adapted two-equation turbulence closures for actuator disk RANSsimulations of windtidal turbine wakes.Renewable Energy 2016；92:273-292)等指出，RSM模型并未显示出普遍性、压倒性的优势，并不能保证在所有工况下均能得到准确模拟结果。对此，文献(E.Antonini,D.Romero,C.Amon.Analysis and modifications ofturbulence models for wind turbine wake simulations in atmospheric boundarylayers.Journal of Solar Energy Engineering 2018；140:1-13)将标准RSM模型的模型系数C_μ进行修正(由0.09修正为0.033)以提升其对大气湍流的模拟精度，然而该模型仅用于某单一机型的风力机尾流算例研究，无法得到普适的、明确的性能结论。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种精度高且普适性强的风力机尾流模拟方法。