CN110414135A - 一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，该方法包括以下步骤：步骤1：引入Jensen模型并对其进行改进，获得改进型Jensen模型；步骤2：基于层流边界流量补充效应，对已有改进型Jensen模型进行修正；步骤3：利用经过修正处理的改进型Jensen模型获得在艏摇以及纵摇状态下，尾流场速度分布结果；步骤4：根据尾流场速度分布结果对海上漂浮式风机的尾流场数值进行优化设计。与现有技术相比，本发明具有与实际漂浮式风机尾流效应的匹配度高，精确度高等优点。

Description

一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法

技术领域

本发明涉及海上漂浮式风机技术领域，尤其是涉及一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法。

背景技术

随着海上风电技术的发展，海上风资源开发已经逐渐从近海走向深远海。这主要是由于深远海有比近海更高的风速和更广阔的开发空间。在深远海风电场中，漂浮式风机是开发深海风资源的主要载体。漂浮式风电场的发电量是衡量漂浮式风电场的运营指标之一，研究漂浮式风机的尾流，可以优化漂浮式风电场的布局，可以提高漂浮式风电场经济效益。

现有专家学者对风力发电机尾流模型做了一定的研究。有些专家学者通过分析风机输出功率与尾流分布间的耦合关系，建立了尾流与风轮交汇面积的计算方法。有些专家学者使用广义制动盘方法对风电场中的串列风力机进行数值模拟，研究了串列之间间距变化时，上游风力机产生的尾流对下游风力机的影响，结果验证了目前风场中常用的风力机之间间距为7D的情况下，下游风力机的发电功率损失达到35％。有些专家学者分析了风电场尾流优化模型在不同大气稳定度及不同风电机组机型的对比结果，得到了风电机组的总尾流和考虑尾流效应的年发电量与风电机组间距比的关系。以上文献研究了多种尾流模型，其中，较多选用目前常用的半经验尾流模型Jensen模型以及改进型Jensen模型，可以较好的模拟正对来流风的固定式风力机尾流场。但是，上述尾流模型难以较好的模拟偏航状态下的风力机尾流场。此外，海上漂浮式风力机在受到风、波浪以及海流作用下会产生一定的艏摇、纵摇角度，需要对已有尾流模型进行修正，来满足海上漂浮式风力机尾流场数值模拟要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，该方法考虑漂浮式风机复杂的运动特性，基于目前已有的尾流模型所提出。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：引入Jensen模型并对其进行改进，获得改进型Jensen模型；

步骤2：基于层流边界流量补充效应，对已有改进型Jensen模型进行修正；

步骤3：利用经过修正处理的改进型Jensen模型获得在艏摇以及纵摇状态下，尾流场速度分布结果；

步骤4：根据尾流场速度分布结果对海上漂浮式风机的尾流场数值进行优化设计。

进一步地，所述的步骤1包括以下分步骤：

步骤11：通过质量守恒公式、轴向推力系数以及尾流半径相结合获得Jensen模型；

步骤12：在Jensen模型的基础上通过设置风力机后的风速，获得改进型Jensen模型。

进一步地，所述步骤11中的Jensen模型，其描述公式为：

式中，v_x表示风力机下游距离x位置轮毂高度处的风速，v₀表示风力机风速，r₀表示风轮半径，kx表示线性变化量。

进一步地，所述步骤12中的改进型Jensen模型，其描述公式为：

式中，r_x表示风力机下游距离x位置尾流横截面半径，v₁表示风轮后风速，C_T表示风轮轴向推力系数。

进一步地，所述步骤2包括以下分步骤：

步骤21：基于层流边界流量补充效应，通过设置层流边界层流量补充函数获得等效风速公式；

步骤22：利用等效风速公式对质量守恒定律改进后得到经过修正处理的改进型Jensen模型。

进一步地，所述步骤21中的层流边界层流量补充函数为：

式中，Δ(x)表示层流边界层流量补充函数，ρ表示空气密度，M(x)表示等效风速；

所述步骤21中的等效风速公式为：

式中，x表示风轮下游距离，p表示流量补充系数，b表示待定参数。

进一步地，所述步骤22中的经过修正处理的改进型Jensen模型，其描述公式为：

式中，a表示风轮轴向诱导因子，为常数取0.1。

进一步地，所述步骤3包括以下分步骤：

步骤31：根据漂浮式风机在艏摇运动状态下风轮下游尾流中心线的偏移量和轮毂处尾流区域半径与风轮半径的关系获取风力机艏摇状态下的下游尾流场速度分布结果；

步骤32：根据漂浮式风机在艏摇以及纵摇运动状态下风轮下游尾流中心线的偏移量和轮毂处尾流区域半径与风轮半径的关系获取风力机艏摇以及纵摇状态下的下游尾流场速度分布结果。

进一步地，所述步骤31中的风力机艏摇状态下的下游尾流场速度分布结果为：

式中，ε＝(0.3C_T+1)·θ(α，β)且ε表示漂浮式风机在艏摇运动状态下风轮下游尾流中心线的偏移量，其中，θ(α，β)表示风力机在艏摇以及纵摇运动状态下，轮毂中心线偏移角。

进一步地，所述步骤32中的风力机艏摇以及纵摇状态下的下游尾流场速度分布结果为：

式中，γ＝0.3C_T·θ(α，β)且γ表示尾迹中心线偏移角度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明首先引入Jensen模型并对其进行改进，获得改进型Jensen模型，然后，基于层流边界流量补充效应，对已有改进型Jensen模型进行修，然后，利用经过修正处理的改进型Jensen模型获得在艏摇以及纵摇状态下，尾流场速度分布结果，并最终根据尾流场速度分布结果对海上漂浮式风机的尾流场数值进行优化设计，与实际漂浮式风机尾流效应的匹配度高。

(2)本发明中综合考虑了海上漂浮式风力机在受到风、波浪以及海流作用下会产生一定的艏摇、纵摇角度，需要对已有尾流模型进行修正，来满足海上漂浮式风力机尾流场数值模拟要求，精确度高。

附图说明

图1为改进Jensen尾流模型图

图2为基于尾流边界层补充的尾流模型图；

图3为风力机偏航状态下尾流场模型图；

图4为风力机俯仰状态下，尾流中心线偏移模型图；

图5为风力机偏航状态下，尾流中新线偏移模型图；

图6为尾流模型修正前后尾流场速度计算值与实测值比较结果示意图；

图7为漂浮式风机与固定式风机尾流场速度计算值比较结果示意图；

图8为模型修正前后漂浮式风机尾流场速度计算值比较结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

鉴于目前尾流模型不能满足漂浮式风机尾流场数值模拟的需要，本发明提出一种考虑尾流边界层流量补充，以及风机多种摇晃模式下的漂浮式风力机尾流场数值分析方法。该分析方法基于已有的Jensen尾流模型展开研究。图1为Jensen模型示意图。

(1)引入Jensen模型以及改进型Jensen模型

由质量守恒得到：

轴向推力系数CT：

C_T＝1-(1-2a)² (2)

Jensen模型认为尾流横截面呈线性变化，尾流半径表示为：

r_x＝r₀+kx (3)

假定v₁＝1/3v₀(此时风力机的功率系数达到贝茨极限，即C_P≈0.592)，将v₁和式(3)带入式(1)，得到Jensen模型表达式：

式中，v_x表示风力机下游距离x位置轮毂高度处的风速，v₀表示风力机风速，r₀表示风轮半径，kx表示线性变化量。

实验工程发现Jensen模型中v₁＝1/3v₀不能满足多数情况，于是在Jensen模型上发展了改进的Jensen模型。

改进Jensen模型定义风力机后的风速为：

将式(3)、式(5)带入式(1)得改进的Jensen模型表达式：

式中，r_x表示风力机下游距离x位置尾流横截面半径，v₁表示风轮后风速，C_T表示风轮轴向推力系数。

(2)基于尾流边界层流量补充效应，对已有改进型Jensen尾流模型进行修正

Jensen模型未考虑尾流边界流量的涌入，如图1所示。由于尾流区域不是闭合的流管，尾流边界层存在压力差，边界层附近会有流量补充到风轮尾流区域，最终在距离风轮下游x位置处，尾流区域风速恢复到来流风速，如图2所示，本发明考虑尾流边界层流量的补充，对Jensen模型进行改进。

近尾流场，尾流内外压差最大，远尾流场，离风力机越远，尾流内外压差越小，且当距离风轮下游距离x足够大时，尾流区域风速恢复到来流风速。此时定义尾流边界层流量补充函数为：

式中，Δ(x)表示层流边界层流量补充函数，ρ表示空气密度，M(x)表示等效风速；

尾流边界层补充流量引入的等效风速为：

式中，x表示风轮下游距离，p表示流量补充系数，b表示待定参数。

改进后的质量守恒定律为：

将式(2)、式(3)、式(5)以及式(7)带入式(9)得到计及尾流边界层流量补充的尾流场速度：

式中，a表示风轮轴向诱导因子，为常数取0.1。

(3)研究漂浮式风机在艏摇以及纵摇状态下，尾流场速度分布

通过上述公式推导，得出计及风轮下游尾流边界层流量补充的尾流场速度。漂浮式风机尾流场尾流速度分布复杂，漂浮式风机受风、浪、流载荷作用时，风机会产生摇摆，风轮不能时刻处于正对来流风的方向。本发明通过分解漂浮式风机在受到风浪流载荷共同作用下的运动模式，推导漂浮式风机在艏摇、纵摇运动模式下漂浮式风机尾流场速度。

漂浮式风机在艏摇运动或者纵摇运动状态下，风轮下游尾流中心线会产生偏移如图3、图4、和图5所示。

记

ε＝(0.3C_T+1)·θ(α，β)

风力机在艏摇运动模式下，风力机下游尾流中心线偏移角与艏摇角度的关系：

γ₁＝0.3C_T·α (12)

风力机在艏摇运动模式下，风力机下游尾流中心线偏移角与纵摇角度的关系：

γ₂＝0.3C_T·β (13)

风力机在艏摇运动以及纵摇运动模式下，风力机下游尾流中心线与艏摇角度和纵摇角度关系：

γ＝0.3C_T·θ(α，β) (14)

γ为尾迹中心线偏移角度；

风力机艏摇状态下，质量守恒定律：

r₀′＝r₀cosε＝r₀cos[(0.3C_T+1)α] (18)

风力机艏摇状态下，下游尾流场速度：

式中，ε＝(0.3C_T+1)·θ(α，β)且ε表示漂浮式风机在艏摇运动状态下风轮下游尾流中心线的偏移量，其中，θ(α，β)表示风力机在艏摇以及纵摇运动状态下，轮毂中心线偏移角，r₁表示风轮后半径。

在艏摇以及纵摇状态下，下游尾流场速度：

r₀″＝r₀cosε′ (20)

将式(20)、式(21)带入到式(22)得

式中，γ＝0.3C_T·θ(α，β)且γ表示尾迹中心线偏移角度。

图3、图4和图5中：

α为偏航角；

β为纵摇角度；

θ(α，β)为在风力机在艏摇以及纵摇运动状态下，轮毂中心线偏移角；

γ₁为风力机出现艏摇运动状态下，风力机尾流中线线偏移角；

γ₂为风力机出现纵摇运动状态下，风力机尾流中线线偏移角；

γ为在风力机在艏摇以及纵摇运动状态下，尾迹中心线偏移角度；

向量为风力机未艏摇状态以及未纵摇状态下，风力机下游尾迹中心线的单位向量；

向量为风力机艏摇状态下，风力机轮毂中心线的单位向量；

向量为风力机纵摇状态下，风力机轮毂中心线的单位向量；

向量为风力机艏摇、纵摇运动状态下，风力机轮毂中心线的单位向量；

向量为风力机艏摇状态下，风力机下游尾迹中心线的单位向量；

向量为风力机纵摇状态下，风力机下游尾迹中心线的单位向量；

r′₀为艏摇状态下，轮毂处尾流区域半径；

r″₀为艏摇、纵摇状态下，轮毂处尾流区域半径；

(4)实测数据验证

本发明采用选取Taylor等对Nibe风力发电机尾流实测结果进行验证。风力机参数如表1所示，实测数据为风力发电机组下游距离风力机2.5D、4D、6D、7.5D处的轮毂中心线延长线上的风速。其中2.5D指与风力机距离为2.5倍的叶轮直径，其它类推。漂浮式风机艏摇以及纵摇的角度设置为30°。

采用本发明方法的具体实测比较结果如图6、图7和图8所示，其中，图6为尾流模型修正前后尾流场速度计算值与实测值比较结果；图7为漂浮式风机与固定式风机尾流场速度计算值比较结果；图8为模型修正前后漂浮式风机尾流场速度计算值比较结果。

表1风力机参数

本发明首先考虑尾流边界层流量补充效应，修正了改进Jensen尾流模型。其次，通过实测数据拟合，得到修正模型中的参数。然后，根据风力机偏转，尾流中心线会发生偏移的效应，利用数值方法推导尾流中心线的偏转角。最后，将所求得的尾流中心线偏转角，带入到漂浮式风机尾流数学模型中，数值模拟漂浮式风机的尾流场中心线风速。为研究漂浮式风机尾流效应提供参考。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：引入Jensen模型并对其进行改进，获得改进型Jensen模型；

步骤2：基于层流边界流量补充效应，对已有改进型Jensen模型进行修正；

步骤3：利用经过修正处理的改进型Jensen模型获得在艏摇以及纵摇状态下，尾流场速度分布结果；

步骤4：根据尾流场速度分布结果对海上漂浮式风机的尾流场数值进行优化设计。

2.根据权利要求1所述的一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，其特征在于，所述的步骤1包括以下分步骤：

步骤11：通过质量守恒公式、轴向推力系数以及尾流半径相结合获得Jensen模型；

步骤12：在Jensen模型的基础上通过设置风力机后的风速，获得改进型Jensen模型。

3.根据权利要求2所述的一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，其特征在于，所述步骤11中的Jensen模型，其描述公式为：

式中，v_x表示风力机下游距离x位置轮毂高度处的风速，v₀表示风力机风速，r₀表示风轮半径，kx表示线性变化量。

4.根据权利要求2所述的一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，其特征在于，所述步骤12中的改进型Jensen模型，其描述公式为：

式中，r_x表示风力机下游距离x位置尾流横截面半径，v₁表示风轮后风速，C_T表示风轮轴向推力系数。

5.根据权利要求1所述的一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，其特征在于，所述步骤2包括以下分步骤：

步骤21：基于层流边界流量补充效应，通过设置层流边界层流量补充函数获得等效风速公式；

步骤22：利用等效风速公式对质量守恒定律改进后得到经过修正处理的改进型Jensen模型。

6.根据权利要求5所述的一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，其特征在于，所述步骤21中的层流边界层流量补充函数为：

式中，Δ(x)表示层流边界层流量补充函数，ρ表示空气密度，M(x)表示等效风速；

所述步骤21中的等效风速公式为：

式中，x表示风轮下游距离，p表示流量补充系数，b表示待定参数。

7.根据权利要求5所述的一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，其特征在于，所述步骤22中的经过修正处理的改进型Jensen模型，其描述公式为：

式中，a表示风轮轴向诱导因子，为常数取0.1。

8.根据权利要求1所述的一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，其特征在于，所述步骤3包括以下分步骤：

步骤31：根据漂浮式风机在艏摇运动状态下风轮下游尾流中心线的偏移量和轮毂处尾流区域半径与风轮半径的关系获取风力机艏摇状态下的下游尾流场速度分布结果；

步骤32：根据漂浮式风机在艏摇以及纵摇运动状态下风轮下游尾流中心线的偏移量和轮毂处尾流区域半径与风轮半径的关系获取风力机艏摇以及纵摇状态下的下游尾流场速度分布结果。

9.根据权利要求8所述的一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，其特征在于，所述步骤31中的风力机艏摇状态下的下游尾流场速度分布结果为：

式中，ε＝(0.3C_T+1)·θ(α，β)且ε表示漂浮式风机在艏摇运动状态下风轮下游尾流中心线的偏移量，其中，θ(α，β)表示风力机在艏摇以及纵摇运动状态下，轮毂中心线偏移角。

10.根据权利要求8所述的一种用于海上漂浮式风机的尾流场数值优化设计方法，其特征在于，所述步骤32中的风力机艏摇以及纵摇状态下的下游尾流场速度分布结果为：

式中，γ＝0.3C_T·θ(α，β)且γ表示尾迹中心线偏移角度。