CN111046533A - 一种基于cfd预计算的风电机组单尾流分布模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，属于检测技术领域。预先对几个不同来流风速下的机组尾流场进行建模后再进行CFD数值模拟，得到离散来流风速下的机组尾流场信息数据库。然后基于该数据库通过插值方法得到任意来流风速下机组的尾流场速度分布。在工程中可以根据对尾流模拟精度的不同需求选择不同的CFD模拟方法，该方法兼具了高效率和高精度，时效性能够满足工程实际需求。
Description
技术领域
本发明属于风电机组尾流计算技术领域，具体涉及一种基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法。
背景技术
大型风电场中因为尾流效应导致的风电场发电量损失通常占年度发电量的10％至20％，准确模拟风电场尾流分布是评估风电场发电量及经济性的基础。在风电场微观选址等工作中需要对风电场内的尾流场在短时间内进行多次模拟，要求所使用的尾流模拟方法不仅能保证一定的计算精度，运算效率也必须满足工程要求。目前尾流模拟方法可分为两类：第一类是基于一些理想化假设推导得到的工程尾流模型，典型代表如Jensen尾流模型。这类模型形式简单，计算速度快，但是计算精度较低，已不能满足当前工程中对风电场发电量精细化评估的要求；第二类是基于求解Navier-Stokes方程的CFD模拟方法，典型代表如致动盘模型。这类方法可以准确模拟风电机组尾流场气动特性，得到精确的速度分布信息。但是CFD模拟方法需要耗费大量计算资源，计算时间长，即便致动盘模型已经做了相当程度的简化，但仍难以应用于对时效性要求较高的风电工程领域。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，计算精度和效率高，时效性能够满足工程实际需求。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，包括以下步骤：
步骤1)：对风电机组进行建模；
步骤2)：根据步骤1)建立的模型及其对应的计算域，对若干不同来流风速下的风电机组尾流场进行CFD数值模拟；储存尾流场中的速度分布信息，建立不同风速下单台机组的尾流场速度分布数据库；
步骤3)：根据步骤2)建好的数据库，采用插值方法计算得到任意来流风速下单台机组尾流区内任意位置处的速度分布，完成风电机组单尾流分布的模拟。
优选地，步骤1)中，建模采用致动盘方法。
优选地，步骤1)中，建模时，推力系数由风电机组对应的推力系数曲线得到。
优选地，步骤2)中，CFD数值模拟采用雷诺时均模拟方法。
优选地，步骤2)中，若干个不同来流风速处于机组切入风速和机组切出风速之间。
优选地，步骤2中，若干个不同来流风速的区间离散间隔为1m/s。
优选地，步骤2)中，储存尾流场中的速度分布信息时，提取机组下游每隔1个叶轮直径距离的尾流截面径向速度建立单台机组的尾流场速度分布数据库。
优选地，步骤3)中，插值方法为分段三次Hermite插值法。
优选地，步骤3)中，采用插值方法计算时，任意来流风速大于步骤2)中若干不同来流风速中的最小值，小于步骤2)中若干不同来流风速中的最大值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，预先对几个不同来流风速下的机组尾流场进行建模后再进行CFD数值模拟，得到离散来流风速下的机组尾流场信息数据库。然后基于该数据库通过插值方法得到任意来流风速下机组的尾流场速度分布。在计算风电场发电量时，若对全场机组采用CFD建模计算，耗费计算资源多、计算时间长，目前在工程中应用尚不现实。风电机组的远尾流场分布主要由机组的推力系数、机组前来流风速以及大气湍流强度决定。其中大气湍流强度为定值，推力系数随来流风速的变化而变化，因此来流风速是决定机组尾流场分布最重要的因素。本发明以来流风速为变量采用CFD方法模拟不同来流风速下单台机组的尾流场并建立信息数据库，然后插值得到任意来流风速下的机组尾流速度分布。本方法将耗时的CFD数值模拟提前进行，从而将风电机组尾流分布计算过程转换为以来流风速为输入的查表插值过程，在保证预测精度的基础上提高了预测的实效性。本方法建模过程清晰，便于风电场发电量计算精度的改善，在工程中可以根据对尾流模拟精度的不同需求选择不同的CFD模拟方法，该方法兼具了高效率和高精度，时效性能够满足工程实际需求。
进一步地，建模采用致动盘方法，该方法相较于其它CFD模拟中的建模方法对计算资源要求更少，计算效率更高，且在远尾流场的流场模拟中与其它建模方法计算精度相当，适于风电场项目工程应用。
进一步地，由于在实际工程中更关注的是湍流所引起的平均流场的变化，因此采用对计算资源要求相对较低的雷诺时均模拟方法，简单快捷。
进一步地，预计算中，若干个不同来流风速处于机组切入风速和机组切出风速之间，能够显著减少计算量，提高效率。
进一步地，预计算中，若干个不同来流风速的区间离散间隔为1m/s，能够显著提高计算精度。
进一步地，储存尾流场中的速度分布信息时，提取机组下游每隔1个叶轮直径距离的尾流截面径向速度建立单台机组的尾流场速度分布数据库，能够显著提高计算精度。
进一步地，采用分段三次Hermite插值法，该方法插值效果优且计算速度快，同时避免了出现插值点数越多，端点附近抖动越大的龙格现象。
进一步地，采用插值方法计算时，任意来流风速大于步骤2)中若干不同来流风速中的最小值，小于步骤2)中若干不同来流风速中的最大值，不采用外插计算，保证了计算精度。
附图说明
图1为本发明的基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法的流程图；
图2为致动盘建模计算域的示意图；
图3为计算域网格划分示意图；
图4a、图4b、图4c、图4d为不同方法计算得到的机组尾流径向速度与风洞实验结果的对比图。
具体实施方式
下面以附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。实施例计算了风电机组不同下游距离处垂直方向尾流区速度损失的分布情况，并将计算结果与风洞实验数据进行对比。
风电机组风轮直径D为0.27m，轮毂高度h为0.3125m，风洞地表粗糙度z0为0.075m。表1所示为机组叶尖速比λ分别为2.9和5.1时不同来流风速所对应的推力系数。实验测量了当来流风速为5.3m/s时，两个叶尖速比下的尾流速度分布。
表1两个叶尖速比下不同来流风速所对应的推力系数
如图1，按照本发明的方法流程：
步骤1)：使用致动盘模型对单台机组建模，采用的致动盘模型越先进，则本发明的计算精度越高，计算域如图2所示。长方体计算域流向方向长度为23D，致动盘与入口之间的距离为3D，与出口之间的距离为20D以保证尾流可以得到充分发展。致动盘中心至左右边界及顶部界面的距离均为3D。计算域入口为速度入口，不考虑风切变效应，来流为自由流。认为在出口位置处流动已经得到充分发展，设置为自由出流边界。左右侧面及顶部边界处认为基本不受致动盘的影响，设置为对称边界。计算域的底部设置为无滑移的固壁。整个计算域采用结构化正交网格划分，对于物理量变化剧烈的致动盘及其邻域网格进行适当加密，整个计算域网格总数约280万，网格划分示意图如图3所示。
步骤2)：采用步骤1)建立好的致动盘模型及计算域分别计算对来流风速为5m/s和6m/s的两个算例进行数值模拟。提取机组下游每隔1D距离的尾流截面径向速度存储，直至出口边界，得到由来流风速分别为5m/s和6m/s时，机组尾流场中共20个位置处的径向分布速度构成的尾流信息数据库。
步骤3)：基于该数据库采用分段三次Hermite插值计算来流风速为5.3m/s时的尾流速度，完成风电机组单尾流分布的模拟。
将结果与风洞实验数据、Jensen尾流模型计算结果及直接使用致动盘模型计算结果进行对比，如图4所示。图中横坐标为径向距离与风轮直径的比值，纵坐标为尾流速度与来流风速的比值。从图中可以看到，本发明相比工程中常用的Jensen尾流模型具有更高的计算精度。如图4a、图4c，在机组下游5D距离处，本发明与致动盘模拟得到的结果几乎完全一致；如图4b、图4d，在7.5D距离处，本发明与致动盘直接模拟的计算结果仅有微小的差别，在尾流中心误差最大处归一化速度只相差0.005，在实际工程应用中可以接受。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：对风电机组进行建模；
步骤2)：根据步骤1)建立的模型及其对应的计算域，对若干不同来流风速下的风电机组尾流场进行CFD数值模拟；储存尾流场中的速度分布信息，建立不同风速下单台机组的尾流场速度分布数据库；
步骤3)：根据步骤2)建好的数据库，采用插值方法计算得到任意来流风速下单台机组尾流区内任意位置处的速度分布，完成风电机组单尾流分布的模拟。
2.如权利要求1所述的基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，其特征在于，步骤1)中，建模采用致动盘方法。
3.如权利要求1所述的基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，其特征在于，步骤1)中，建模时，推力系数由风电机组对应的推力系数曲线得到。
4.如权利要求1所述的基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，其特征在于，步骤2)中，CFD数值模拟采用雷诺时均模拟方法。
5.如权利要求4所述的基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，其特征在于，步骤2)中，若干个不同来流风速处于机组切入风速和机组切出风速之间。
6.如权利要求1所述的基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，其特征在于，步骤2中，若干个不同来流风速的区间离散间隔为1m/s。
7.如权利要求1所述的基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，其特征在于，步骤2)中，储存尾流场中的速度分布信息时，提取机组下游每隔1个叶轮直径距离的尾流截面径向速度建立单台机组的尾流场速度分布数据库。
8.如权利要求1所述的基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，其特征在于，步骤3)中，插值方法为分段三次Hermite插值法。
9.如权利要求1所述的基于CFD预计算的风电机组单尾流分布模拟方法，其特征在于，步骤3)中，采用插值方法计算时，任意来流风速大于步骤2)中若干不同来流风速中的最小值，小于步骤2)中若干不同来流风速中的最大值。
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