考慮風(fēng)向偏轉(zhuǎn)的復(fù)雜山地風(fēng)電場尾流精細化評估研究

【摘要】本文針對風(fēng)電后市場技改中“以大代小”項目的現(xiàn)實需求，提出了一套考慮風(fēng)向偏轉(zhuǎn)的風(fēng)電場尾流精細化評估方法。首先，該方法通過在流體控制方程中添加體積力源項實現(xiàn)尾流效應(yīng)的精準(zhǔn)評估，并利用流場映射技術(shù)提升計算效率。其次，傳統(tǒng)致動盤模型中體積力源項的朝向由來流風(fēng)向確定，無法考慮復(fù)雜山地風(fēng)電場中機位處風(fēng)向相較來流風(fēng)向的偏轉(zhuǎn)。為此，本文提出考慮風(fēng)向偏轉(zhuǎn)的致動盤模型，提升尾流效應(yīng)評估的準(zhǔn)確性。該方法適用于“以大代小”實施前機組間尾流影響的精確化評估，為風(fēng)場改造升級、性能提升提供可靠參考?！娟P(guān)鍵詞】以大代小尾流效應(yīng)致動盤模型復(fù)雜山地引言隨著風(fēng)電行業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，新型、超大容量的風(fēng)電機組逐漸進入市場，產(chǎn)品迭代加速。同時，老舊風(fēng)電機組運行效率下降，維護成本高，甚至有安全隱患。對老舊風(fēng)場實施“以大代小”具有重要意義。在實施“以大代小”過程中，需要重新考慮新型風(fēng)電機組對周邊老舊機組的影響，提高風(fēng)場整體效益和發(fā)電量，并避免可能出現(xiàn)的安全性風(fēng)險。在這個過程中，對新機組與周邊機組間的尾流效應(yīng)進行精細化評估顯得尤為重要。尾流效應(yīng)評估的精細化程度直接決定了技改后風(fēng)場的收益提升程度，對投資決策具有重要價值。常用的尾流評估手段主要分為兩類：工程尾流模型和基于致動盤（ActuatorDisk）模型的計算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）方法。工程尾流模型具有計算簡單、求解速度快的優(yōu)點，但其理論基于簡化后的一維或二維流場，且結(jié)果很大程度上依賴于經(jīng)驗參數(shù)，導(dǎo)致某些場景下所評估的尾流損失與實際情況存在嚴(yán)重偏差。相比之下，基于致動盤的CFD方法，通過在流體的控制方程中加入合適的體積力源項，實現(xiàn)了在流體仿真中就考慮風(fēng)機對來流空氣的阻滯作用。這使得仿真更加接近于真實的物理場景。隨著近年來計算機能力的快速提升及大規(guī)模并行計算的普及，基于致動盤的CFD方法在工程應(yīng)用中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其兼顧計算精度與計算效率，為風(fēng)電場尾流評估提供了更加準(zhǔn)確和可靠的結(jié)果。國內(nèi)外學(xué)者采用基于致動盤的CFD方法，對風(fēng)電機組尾流評估進行了廣泛研究。介紹了致動盤模型在風(fēng)力機尾流流場數(shù)值模擬中的應(yīng)用。該研究表明，采用致動盤模型可以準(zhǔn)確地計算風(fēng)力機組的尾流，且預(yù)測結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)相符合。采用了基于風(fēng)輪面平均風(fēng)速的致動盤方法。該方法不僅可以正確計算風(fēng)力機的功率輸出和尾流，并且在復(fù)雜山地風(fēng)電場中具有較高的適用性和可操作性。和提出了改進致動盤和拓展k-ε湍流模型相結(jié)合的方法，以提高基于致動盤的CFD方法的精度。該方法能夠有效解決標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型在尾流恢復(fù)預(yù)測中存在的問題，且計算精度和穩(wěn)定性均有所提升。在基于致動盤的CFD方法中，體積力源項的配置是核心要素。其大小可由經(jīng)典的致動盤理論得出，而朝向則根據(jù)牛頓第三定律來指定。對于平坦地形風(fēng)電場，空氣自流場邊界流經(jīng)機位后，風(fēng)向一般不會產(chǎn)生較大偏轉(zhuǎn)，此時體積力源項的朝向可以設(shè)置為與來流風(fēng)向相對。而對于復(fù)雜山地風(fēng)電場，如圖1所示，復(fù)雜地形的存在會極大程度改變機位處的風(fēng)向，致使其產(chǎn)生較大偏轉(zhuǎn)。此時，若仍根據(jù)來流風(fēng)向指定體積力源項的朝向，會使得致動盤對來流空氣阻滯作用的方向與實際不符，導(dǎo)致尾流計算存在誤差。對“以大代小”項目而言，由于老舊風(fēng)場普遍采用小型機組，葉輪直徑通常小于50米，而目前機組的葉輪直徑已經(jīng)達到僅200米級別。在機組替換后，葉片之間的間距大大縮小，需要對機組的尾流進行精細化評估。圖1：機位處風(fēng)向偏轉(zhuǎn)示意圖，來流風(fēng)向為正北，流至機位處后風(fēng)向發(fā)生了一定偏轉(zhuǎn)。本文研究并提出了一套考慮風(fēng)向偏轉(zhuǎn)的風(fēng)電場尾流精細化評估方法，從而提高尾流評估的可靠性，對風(fēng)電后市場技改中的“以大代小”項目具有重要意義。該方法首先根據(jù)機位處的初始仿真結(jié)果，提取機位處的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)；隨后，根據(jù)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)修正致動盤模型中體積力源項的朝向，迭代直至體積力源項的朝向與機位處風(fēng)向一致。在這個過程中，采用流場映射技術(shù)，根據(jù)前一步的CFD計算結(jié)果，為后一步的CFD計算提供較好的初始流場，大幅提升計算效率。1.數(shù)值模型1.1基于致動盤模型的CFD方法簡述基于致動盤模型的CFD方法是一種虛擬邊界技術(shù)，其將風(fēng)輪簡化為一個圓盤，并通過對流體在整個風(fēng)輪面上施加合適的體積力源項來表征風(fēng)輪對來流的阻滯作用。單位體積力大小為：

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(3)

(4)式中，Su表示體積力源項的大小，ρ表示當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋鱴表示致動盤厚度，uD表示致動盤處的風(fēng)速，u1表示來流風(fēng)速。a為誘導(dǎo)因子，CP、CT分別為風(fēng)機的功率、推力系數(shù)。體積力源項的朝向需要在CFD計算前設(shè)置。為兼顧計算精度并效率，在體積力源項的分布區(qū)域往往需要進行網(wǎng)格的局部加密。1.2考慮風(fēng)向偏轉(zhuǎn)的致動盤方法對復(fù)雜山地風(fēng)電場，風(fēng)流經(jīng)機位的過程中一般會經(jīng)歷較大程度的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)。如采用基于致動盤的CFD方法仿真該場景，由于體積力源項的朝向在CFD計算前就已給定，且往往與源項添加后機位處的仿真風(fēng)向存在差異，整套CFD方法并不嚴(yán)格遵循牛頓第三定律，導(dǎo)致尾流效應(yīng)評估出現(xiàn)偏差。為確保體積力源項的朝向與機位處的仿真風(fēng)向一致，就需要根據(jù)機位處的仿真風(fēng)向?qū)w積力源項的朝向進行修正，直至二者一致。1.3數(shù)值仿真及求解方案本文中，采用雷諾平均方法（ReynoldsAveragedNavier-Stokes,RANS）對流場進行求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。在計算域中添加體積力，并設(shè)定入口邊界為速度入口。根據(jù)粗糙度地圖數(shù)據(jù)確定計算域內(nèi)的地表粗糙度，并根據(jù)Monin-Obukhovare相似性理論求解風(fēng)廓線方程獲得入口邊界條件：

(5)

(6)其中，表示速度隨高度的分布，z表示距地表高度，u*表示摩擦風(fēng)速，表示馮·卡門常數(shù)，z0表示粗糙度，L表示奧布霍夫長度。出口邊界設(shè)為壓力出口，設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力；底部邊界設(shè)置為基于對數(shù)廓線分布的壁面函數(shù)；側(cè)面設(shè)置為入流/出流條件，根據(jù)流動方向自動判別邊界條件，入流時為狄利克雷邊界條件（Dirichletboundarycondition），出流時為諾伊曼邊界條件（Neumannboundarycondition)。控制方程選擇以壓力為基礎(chǔ)的求解器，并采用半隱式壓力速度耦合的算法（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations,SIMPLE）?？臻g離散采用二階迎風(fēng)格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-5。針對傳統(tǒng)致動盤方法無法考慮風(fēng)向偏轉(zhuǎn)的問題，本文提出了考慮風(fēng)向偏轉(zhuǎn)的致動盤方法。首先，根據(jù)項目基本信息對待研究風(fēng)電場進行三維建模，分別生成粗網(wǎng)格和細網(wǎng)格，并采用粗網(wǎng)格進行不考慮致動盤的CFD計算，提取機位處的仿真結(jié)果，并獲得項目所在區(qū)域的初始流場，作為后續(xù)計算的初始條件。隨后，根據(jù)上一步計算中機位處的仿真結(jié)果確定致動盤參數(shù)，采用細網(wǎng)格進行基于致動盤的CFD計算，并提取機位處的仿真結(jié)果。最后，根據(jù)機位處風(fēng)向?qū)χ聞颖P體積力源項的朝向進行不斷修正、迭代，直至機位處的仿真風(fēng)向與體積力源項朝向一致。修正完成后，進行尾流影響評估，并用于后續(xù)發(fā)電量及安全性評估。1.4網(wǎng)格無關(guān)性分析網(wǎng)格分辨率分別設(shè)置為3m，5m，10m時，機位處100米高度內(nèi)的速度廓線如圖2所示。結(jié)果表明，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5m時，能夠滿足計算精度的要求。圖2：網(wǎng)格無關(guān)性驗證2.結(jié)果分析2.1項目介紹本文以我國華南某實際風(fēng)電場的部分機位為研究對象，項目地形及部分機位如圖3所示。這是一個典型的復(fù)雜山地風(fēng)電場，機位點分布于南北走向的山脊之上。山脊海拔約700米，向東西緩慢過渡至周邊平地，平地海拔為60~70米。對于該項目，分別采用傳統(tǒng)方法及本文提出的考慮風(fēng)向偏轉(zhuǎn)的修正方法進行基于致動模型的CFD計算，來流風(fēng)向為0°。圖3：華南某實際風(fēng)電項目地形以及部分機位點2.2計算結(jié)果及分析圖4展示了機位點P1、P2附近的流場云圖，左圖采用傳統(tǒng)方法，右圖采用本文提出的修正方法。圖中箭頭所指的方向為機位處的仿真風(fēng)向，點位處的線段代表則風(fēng)輪面，致動盤模型體積力源項的朝向與該面垂直。在機位下游，風(fēng)速在較短距離內(nèi)經(jīng)歷了衰減并逐步恢復(fù)的過程。同時，由于復(fù)雜山地的存在，風(fēng)流經(jīng)機位后已經(jīng)發(fā)生了一定程度的偏轉(zhuǎn)?？梢钥吹?，采用本文提出的方法后，對風(fēng)輪面在原有基礎(chǔ)上進行了一定程度的偏轉(zhuǎn)，使得致動盤體積力源項的朝向與機位處的風(fēng)向幾乎完全相對，整套CFD計算嚴(yán)格遵循牛頓第三定律。左：傳統(tǒng)方法，未對風(fēng)向做任何修正；右：本文方法圖4：流場速度云圖圖5展示了點位P2處風(fēng)速的軸向分布，橫軸代表以輪轂中心為原點的軸向坐標(biāo)，負值代表機位上游，正值代表機位下游。不同曲線代表在采用本文方法后，每一修正步中致動盤體積力源項的朝向?？梢钥吹?，隨著體積力源項的朝向不斷逼近仿真風(fēng)向，機位及其下游風(fēng)速產(chǎn)生了明顯變化，說明本文提出的方法對機位附近的流場有顯著影響。圖5：P2點處軸向風(fēng)速分布表1、表2分別展示了機位點P1、P2處采用傳統(tǒng)方法及本文方法所得到的計算過程及結(jié)果?？梢钥吹?，對于大部分情況，僅需在采用粗網(wǎng)格計算的基礎(chǔ)上對致動盤體積力源項進行兩次迭代，即可使其朝向和仿真風(fēng)向基本保持一致。在風(fēng)向修正的過程中，機位處風(fēng)速不斷變化，并最終與傳統(tǒng)方法的仿真風(fēng)速產(chǎn)生明顯差異。該差異會導(dǎo)致機位與測風(fēng)塔之間的風(fēng)加速因子產(chǎn)生約0.08的偏差，并導(dǎo)致機位處的風(fēng)速差異最大可到0.2m/s，極大程度影響后續(xù)的發(fā)電量評估。表1：機位P1處風(fēng)向及風(fēng)速迭代歷史表2：機位P2處風(fēng)向及風(fēng)速迭代歷史3.結(jié)論本文提出了一套考慮風(fēng)