[发明专利]一种基于2D_k Jensen模型的三维尾流数值模拟方法

摘要

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kx,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rx,r；步骤5，利用步骤4所得尾流膨胀半径rx,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。

主权项

1.一种基于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：式中，z为距离地面的高度，zhub为轮毂高度，z0为地表粗糙度，u(zhub)为风力机轮毂高度处的风速，I(zhub)为风力机轮毂高度处的湍流强度；步骤2，计算尾流膨胀系数kx,z，计算式如下：kx,z＝k0·Iwake,x,z/I0(z)式中，k0为初始尾流膨胀系数，Iwake,x,z为风力机下游x位置，z高度处的湍流强度；所述Iwake,x,z的计算式如下：其中,式中,x为风力机下游距离，D为风轮直径,CT为风力机推力系数,Iadd,x为尾流区x位置处的附加湍流强度，包含由于风力机的存在而产生的剪切湍流和附加的机械湍流；步骤3，基于Jensen模型对尾流风速进行预测，计算初始尾流风速u*(x,z)，计算式如下：u*(x,z)＝u0(z)[1‑2a/(1+kx,z·2s)2]式中，ɑ为风力机轴流诱导因子，与风力机的推力系数C_T有关，计算式为s为量纲化下游位置，计算式为s＝x/D；步骤4，计算尾流膨胀半径rx,r，计算式如下：rx,r＝k0·x+r1式中，r₁为风轮后的特征尾流半径，表达式为其中r_d为风轮半径；步骤5，建立三维尾流模型，利用步骤4所得尾流膨胀半径rx,r，基于2D_k Jensen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函数u(x,y,z)，其表达式为：u(x,y,z)＝(u0(z)‑u*(x,z))·fx,r+u*(x,z)fx,r为风速分布函数，其表达式为fx,r＝cos(2π/rx,r·r+π)，r为以风轮中心线为圆心的辐射半径，表达式为：式中，y为风力机尾流任一点的横向坐标，ywake和zwake分别为风力机下游x位置的尾流中心坐标。