CN116522807A - 一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型 - Google Patents

一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型 Download PDF

Info

Publication number
CN116522807A
CN116522807A CN202211359540.XA CN202211359540A CN116522807A CN 116522807 A CN116522807 A CN 116522807A CN 202211359540 A CN202211359540 A CN 202211359540A CN 116522807 A CN116522807 A CN 116522807A
Authority
CN
China
Prior art keywords
yaw
wake
fan
model
wind
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211359540.XA
Other languages
English (en)
Inventor
高晓霞
吕陶
徐施耐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN202211359540.XA priority Critical patent/CN116522807A/zh
Publication of CN116522807A publication Critical patent/CN116522807A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00Details relating to the application field
    • G06F2113/06Wind turbines or wind farms
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00Details relating to the application field
    • G06F2113/08Fluids
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

本发明涉及风场数据分析技术领域,具体而言,涉及一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型,该方法的步骤包括:添加近尾流双高斯函数和垂直方向风切变构建无偏航风机的尾流模型,对其命名为三维Jensen‑Gaussian全尾流3DJGF模型;在Jiménez偏航尾流模型中,将偏航风机上的推力在x和y方向上分解得到偏航风机尾流中心的偏移量yd;在3DJGF尾流模型的纵轴方向上添加偏航风机尾流中心偏移量,得到偏航风机三维非均匀偏航全尾流Y‑3DJGF模型。旨在获得下游流场的输入信息,为下游风力机的动载荷分析提供参考,使风机的偏航控制系统更准确、实时地调整风机方向。可应用于实际风电场,提高风力机性能,提升能量输出。

Description

一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型
技术领域
本发明涉及风场数据分析技术领域,具体而言,涉及一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型。
背景技术
风电场的风机在工作时间长期处于偏航状态,三维尾流模型的推导可以得到风机完成偏航动作后偏航尾流区域的风速分布,也可以在获得准确的实际风场来流信息后,及时根据来流信息获得偏航角,完成进一步的偏航动作。分析偏航工况下风力机后的全尾流分布特性,对大型水平轴风力机的设计过程、安全运行和寿命改进具有重要指导意义。并且该模型计算成本低,效率高,不仅可以为下游风力机的动载荷分析提供参考,而且可以使偏航控制系统更准确、实时地调整风机方向。可应用于实际风电场,提高风力机性能,提升能量输出。为了进一步了解整个尾流区域的三维空间分布特征,本发明提出了一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型,用以研究偏航状态下整个尾流区域的空间分布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型,其用于解决上述技术问题。
本发明的实施例通过以下技术方案实现:
一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型,其特征在于,为下游风力机的动载荷分析提供参考,且使偏航控制系统更准确、实时地调整风机方向,包括如下内容:
添加近尾流双高斯函数和垂直方向风切变,构建无偏航风机的尾流模型;
在Jiménez偏航尾流模型中,将偏航风机上的推力在x和y方向上进行分解,得到偏航风机尾流中心的偏移量yd
在3DJGF尾流模型的纵轴方向上添加偏航风机尾流中心偏移量,得到Y-3DJGF尾流模型。
进一步的,所述双高斯函数的一般表达式如下所示:
其中,xmin是高斯最小值到函数中心的距离。设为自变量x方向上的双高斯因子。当xmin≠0时,由表达式得到的函数曲线为 双峰函数,是能较好地拟合风机的实际近尾迹速度双峰曲线。当xmin=0时,由表达式得到的 函数曲线为单高斯函数,但此时是当尾迹即将或已经发展出近尾迹区域时,函数曲线与实 际远尾迹速度单峰曲线拟合较好。
进一步的,所述无偏航风机的尾流模型的计算公式如下所示:
其中, uhub为风力机轮毂中心的来流风速;zhub为风力机轮毂中心高度;z+zhub为距 离地面高度;α为风剪切指数;为y方向上的双高斯因 子;为z方向上的双高斯因子;在双高斯因子中,zmin为从 高斯最小值到转子中心的垂直距离;轴向诱导因子;r0为初始尾流半 径;rz为垂直方向的尾流半径;σz为垂直方向高斯分布的标准差;σy为水平方向高斯分布的 标准差。
进一步的,所述尾流在水平面内的半径和高斯最小值到转子中心的垂直距离计算公式如下所示:
其中,采用考虑偏航因子后推导的各向异性膨胀系数,计算公式为
进一步的,所述Jiménez偏航尾流模型,将偏航风机上的推力在x和y方向上进行分解,计算公式如下所示:
进一步的,所述偏航风机控制体中,风机前风动量m1、叶轮损失的动量m2和尾流吸收的环境风动量之和m3等于尾流上x=n界面处的风动量,应用动量守恒方程和质量守恒方程的计算公式如下所示:
进一步的,所述假设α0的值极小,且,计算公式如下所示:
进一步的,所述偏航风机尾流中心的偏移量计算公式如下所示:
进一步的,所述风机的3DJGF模型的y方向上添加偏航风机尾流中心偏移量yd,推导出三维非均匀偏航全尾流模型的计算公式如下所示:
其中,偏航风机z方向的双高斯因子与未偏航风机的双高斯因子相同,和为偏航风机y方向的双高斯因子。
进一步的,所述Y-3DJGF完整尾流模型的计算公式如下所示:
其中,uhub为风力机轮毂中心的来流风速;zhub为风力机轮毂中心高度;z+zhub为距离地面高度;α为风剪切指数;σy为水平方向高斯分布的标准差。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果:
本发明设计合理、结构简单,通过综合Jiménez偏航尾流模型和3DJGF尾流模型的优点,能较好的描述偏航工况下风机后的全尾流分布特性,可为下游风力机的动载荷分析提供参考,而且可以使偏航控制系统更准确、实时地调整风机方向。可应用于实际风电场,提高风力机性能,提升能量输出。
附图说明
图1为本发明提供的一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型的流程示意图。
图2为本发明提供的尾流模型三维坐标系图。
图3为本发明提供的Y-3DJGF尾流模型在水平剖面与实测数据对比结果示意图。
图4为本发明提供的Y-3DJGF尾流模型在垂直剖面与实测数据对比结果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
本发明提供一种实施例,共分三步:建立无偏航风机尾流模型;获取偏航风机尾流中心的偏移量;建立Y-3DJGF尾流模型。具体流程如图1所示。
第一步,建立无偏航风力机尾流模型,其建立过程如下所示:
步骤一、基于预设Jensen尾流模型、近尾流双高斯函数采用质量守恒定律进行预测,获得均匀入流条件下尾流区x-z平面的二维全尾流模型。其中,结合风速云图与函数曲线的对比,双高斯函数能够更好的拟合实际风场中的风力机近尾流的流场风速分布,而传统的单高斯型函数在近尾流的尾流中心线附近描述较为粗糙。
为准确描述尾流区风速分布情况,如图2所示,建立以涡轮轮毂中心为原点的三维坐标系,设来流方向为x轴,尾流跨度方向为y轴,垂直方向为z轴,三维空间点的尾流速度定义为。值得一提的是,来流方向为无偏航风机尾流中心线方向。横轴为水平距离与风机直径的无因次比,纵轴为尾流速度与自由流动风速的无因次比。
双高斯函数的一般表达式为是从高斯最小值到函数 中心的距离,设为自变量x方向上的双高斯因子。当xmin ≠0时,由表达式得到的函数曲线为双峰函数,较好地拟合风机的实际近尾迹速度双峰曲 线。当xmin=0时,由表达式得到的函数曲线为单高斯函数,此时是当尾迹即将或已经发展出 近尾迹区域时,函数曲线较好地拟合风机的实际远尾迹速度单峰曲线。
本步骤中,首先忽略风切变的影响,认为垂直方向上入流风速等于轮毂中心的入流风速。在经典的Jensen模型中引入双高斯函数,则尾流区域在x-z平面上的尾流速度的表达式如式(1)所示:
其中均为z方向上双高斯因子,双高斯因子中 zmin为高斯最小值到转子中心的垂直距离,σz为垂直方向的标准差,uhub为轮毂中心处来流 风速。式中A、B为待确定的未知参数。
由双高斯函数主区域在尾流区域的分布的占比,得
垂直方向上尾流半径rz表示如下:
其中kz为垂直方向上的尾流膨胀系数。
则高斯最小值至转子中心的垂直距离表示下:
接下来可确定上式中参数c1,c2,c3的值。高斯分布区间中99.7%的值在三个标准差范围内,99%的值在2.58个标准差范围内。则取2.81个标准差范围即是符合工程实际需求的同时保证精准度,即,则参数c1=2.81;由式(3)所示,参数c2由x=0处的尾流损失大小决定;由式(4)所示,参数c3由尾流从双高斯变为单高斯的速度和最大尾流损失在尾流中心线上的位置决定。
当尾流半径延伸到尾流边界时,尾流速度近似等于大气风速即入流风速uhub,即:
同时,由质量守恒公式得:
联立以上公式解出A、B的值,则均匀入流条件下尾流区x-z平面的二维全尾流模型为:
步骤二、考虑风切变,修改第一步中引入的风速分布模型。
具体的,考虑风剪切u(z),关键在于x=0的切面上剪切风与来流风速差,即
接下来考虑,质量损失沿高度方向的变化会使尾流区的风速呈现不对称分布。风剪切造成的风速差导致的来流风的额外质量损失/>计算公式如下所示:
进而解出考虑风切变的二维尾流分布模型:
步骤三、推导出单风力机近尾流与远尾流双区域模型,即本发明所述的无偏航风机尾流模型。
具体的,在考虑风切变的二维尾流分布模型的基础上,得出考虑风切变的三维尾流分布模型,即无偏航风机的尾流模型:
其中为y方向上的双高斯因子;式中C求解可 得:
水平面上尾流半径表示如下:
高斯最小值至转子中心的垂直距离表示如下:
第二步,获取偏航风机尾流中心的偏移量,具体过程如下所示:
其中,尾流中心线的偏移会直接影响到下游风力机的功率输出,因此本发明考虑到,建立偏航风力机尾流模型的首要问题是计算偏航状态下的尾流中心偏移量。在无偏航的尾流模型中y方向添加偏航引起的风力机尾流中心偏移量,从而得到偏航风力机尾流模型。
在建立的过程中,首先,在Jiménez偏航尾流模型中,偏航风力机所受推力由来流风的余弦值U0COSθ产生,对偏航风风力机所受推力在x、y方向进行分解,得:
之后,在偏航风力机控制体中,风力机前风的动量、叶轮损失的动量与尾流卷吸的环境风动量之和等于尾流上x=n界面上风动量;同时,单位时间内风力机前风流量m1与尾流卷吸的环境风流量m2之和等于尾流上x=n界面上流量m3。应用动量守恒方程与质量守恒方程得:
同时假设α值极小且,则
最后,联立各式,得出偏航风力机尾流中心偏移量
第三步,建立Y-3DJGF尾流模型,具体过程如下所示:
在风力机3DJGF模型的y方向添加偏航风力机尾流中心偏移量yd,得到Y-3DJGF尾流模型:
其中,偏航风力机z方向上的双高斯因子与未偏航风力机双高斯因子一致,为偏航风力机y方向上的双高斯因子。 将C带入u(x,y,z),得到完整的偏航风力机尾流速度分布模型:
将本实施例所提供的Y-3DJGF尾流模型与轮毂高度水平面上4个位置(x=0.75D,2D, 3D, 5D)的实测风速进行比较,验证偏航风机尾流模型在水平剖面上的准确性,对比结果如图3所示;与轮毂中心所在垂直平面6个位置(x=0.75D、2D、3D、4D、5D、7D)的实测风速进行对比,验证偏航风机在垂直廓线尾流模型的准确性,对比结果如图4所示。可见Y-3DJGF尾流模型的预测和实验数据拟合较好。
在本实施例中,基于预设Jensen尾流模型、近尾流双高斯函数采用质量守恒定律进行预测,获得均匀入流条件下尾流区x-z平面的二维全尾流模型;然后考虑风切变及风剪切造成的风速差导致的来流风的额外质量损失,解出考虑风切变的二维尾流分布模型;综合上述两个步骤,推导出单风力机近尾流与远尾流双区域模型,即本发明所述的无偏航风机尾流模型;再通过Jiménez偏航尾流模型,对偏航风风力机所受推力在x、y方向进行分解,并应用动量守恒方程与质量守恒方程,得出偏航风力机尾流中心偏移量;最后,在3DJGF尾流模型的y方向上引入Jiménez得到的偏航风机尾流中心偏移量,得到偏航风机尾流速度分布模型。
准确、快速的偏航风机尾流特性是提高现有风电场产能预测精度的必然要求,这对大型水平轴风力机的设计过程、安全运行和寿命改进具有重要指导意义。
本实施例所提供的Y-3DJGF模型能够较好的预测不同方向和径向位置的尾流速度分布,获得下游流场的输入信息,进而通过主动偏航控制提高下游风机的输出功率,优化风电场的生产,提升现有风电场产能预测精度,降低风机部件的疲劳负荷,优化风电场的寿命。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型,其特征在于,为下游风力机的动载荷分析提供参考,且使偏航控制系统更准确、实时地调整风机方向,包括如下内容:
添加近尾流双高斯函数和垂直方向风切变,构建无偏航风机的尾流模型;
在Jiménez偏航尾流模型中,将偏航风机上的推力在x和y方向上进行分解得到偏航风机尾流中心的偏移量;
在3DJGF尾流模型的纵轴方向上添加偏航风机尾流中心偏移量,得到Y-3DJGF尾流模型。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述无偏航风机的尾流模型的计算公式如 下所示:
其中, uhub为风力机轮毂中心的来流风速;zhub为风力机轮毂中心高度;z+zhub为距离地 面高度;α为风剪切指数;为y方向上的双高斯因子;为z方向上的双高斯因子;在双高斯因子中,zmin为从高斯 最小值到转子中心的垂直距离;轴向诱导因子;r0为初始尾流半径;rz 为垂直方向的尾流半径;σz为垂直方向高斯分布的标准差;σy为水平方向高斯分布的标准 差。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述Jiménez偏航尾流模型中,偏航风机上的推力由来风的余弦值产生,将偏航风机上的推力在x、y方向上进行分解。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述偏航风机控制体中,风机前风动量、叶轮损失的动量和尾流吸收的环境风动量之和等于尾流上x=n界面处的风动量,应用动量守恒方程和质量守恒方程。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述假设 的值极小,且 ,计算公式如下所示:
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述偏航风机尾流中心的偏移量计算公式如下所示:
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述风机的3DJGF模型的y方向上添加偏航风机尾流中心偏移量yd,推导出偏航风机三维非均匀偏航全尾流模型的计算公式如下所示:
其中,偏航风机z方向的双高斯因子与未偏航风机的双高斯因子相同,和/>为偏航风机y方向的双高斯因子。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述偏航风机尾流速度分布的完整模型的计算公式如下所示:
其中, uhub为风力机轮毂中心的来流风速;zhub为风力机轮毂中心高度;z+zhub为距离地面高度;α为风剪切指数;σy为水平方向高斯分布的标准差。
CN202211359540.XA 2022-11-02 2022-11-02 一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型 Pending CN116522807A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211359540.XA CN116522807A (zh) 2022-11-02 2022-11-02 一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211359540.XA CN116522807A (zh) 2022-11-02 2022-11-02 一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116522807A true CN116522807A (zh) 2023-08-01

Family

ID=87403488

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211359540.XA Pending CN116522807A (zh) 2022-11-02 2022-11-02 一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116522807A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116757094A (zh) * 2023-08-11 2023-09-15 长江三峡集团实业发展(北京)有限公司 一种风力机尾流场计算方法、装置、电子设备及存储介质
CN117231425A (zh) * 2023-11-13 2023-12-15 中国海洋大学 基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统及方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116757094A (zh) * 2023-08-11 2023-09-15 长江三峡集团实业发展(北京)有限公司 一种风力机尾流场计算方法、装置、电子设备及存储介质
CN116757094B (zh) * 2023-08-11 2023-11-03 长江三峡集团实业发展(北京)有限公司 一种风力机尾流场计算方法、装置、电子设备及存储介质
CN117231425A (zh) * 2023-11-13 2023-12-15 中国海洋大学 基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统及方法
CN117231425B (zh) * 2023-11-13 2024-02-06 中国海洋大学 基于平台前倾的漂浮式风机的尾流控制系统及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116522807A (zh) 一种风力机三维非均匀偏航全尾流模型
Aranake et al. Computational analysis of shrouded wind turbine configurations using a 3-dimensional RANS solver
CN108153998B (zh) 离心鼓风机叶轮的全三维气动优化设计方法
CN102608914B (zh) 径流式液力透平优化设计方法
CN106919731B (zh) 一种用于不同风向角的风电机组尾流确定方法
CN109598081A (zh) 基于数据降维及多二维流面的径流式透平气动优化方法
CN105201916A (zh) 一种空间导叶离心泵水力设计方法
Li et al. Optimum design on impeller blade of mixed-flow pump based on CFD
CN112001131B (zh) 一种改进风力机尾流叠加计算方法
Wang et al. A general alternate loading technique and its applications in the inverse designs of centrifugal and mixed-flow pump impellers
Anderson Improved smith chart for axial compressor design
Ju et al. Optimization of centrifugal impellers for uniform discharge flow and wide operating range
CN114707437A (zh) 一种水平轴风力机三维全尾流模型的建立方法
CN115062563A (zh) 基于空间变化的风力机三维尾流风速计算方法
CN103809510A (zh) 一种面向高精加工的自由曲面往复式刀具轨迹规划方法
CN100370148C (zh) 透平压缩流体机械的叶片型线优化设计方法
CN111651870B (zh) 一种基于改进Jensen模型的风力机尾流计算方法及系统
Hashem et al. Characterization of aerodynamic performance of wind-lens turbine using high-fidelity CFD simulations
Maftouni et al. Effects of implementing a Diffuser around the Wind Turbine
CN103256251A (zh) 一组风扇用变曲率弧形等厚板翼型
CN103016398B (zh) 一种控制曲率分布的离心叶轮流道设计方法
Moroz et al. Integrated conceptual design environment for centrifugal compressors flow path design
CN103939150A (zh) 一种降低透平级气流激振力的静叶结构
Li et al. Progressive orthogonal optimization design method for high efficiency axial-flow blower
CN114861336A (zh) 一种全参数化螺旋桨模型构建方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination