单台风电机组远场尾流CFD计算模型研究

摘要

处在上游风电机组的远场尾流会导致下游风电机组来流风速下降和湍流度增加，从而影响下游风电机组的发电量与疲劳载荷。准确高效的风机组远场尾流数学模型，将使风资源评估更加完善，风电场调度方式更加合理灵活。所以作者主要针对风电机组远场尾流进行数学建模和仿真分析两方面工作: 在数学建模方面，目前的风电机组远场尾流模型中，解析模型居多，而随着计算机技术和湍流问题认识的发展，雷诺时均(RANS)模型也日益受到关注。为了提高计算效率，目前风电机组远场尾流RANS模型普遍基于拟合的近尾流速度场分布，且忽略压力项，这降低了模型的适用性。针对这一问题，作者引入制动盘模型，解决近场尾流流场模拟问题;结合均匀来流、平坦地形假设，获得流场对称推论，有效降低方程组维度;采用涡量流函数方法改写方程，避免了压力项求解;利用一方程湍流模型使方程组封闭。 在仿真分析方面，首先通过Matlab编程实现了数值模型，借鉴普朗特混合长度理论确定湍流脉动长度标尺变化率数量级，并通过多次试算将其标定。其次通过与传统解析模型相比较，发现该模型计算误差保持在10％以下，而且在远尾流区计算中具有明显优势。最后利用该模型动态计算功能，仿真尾流扩散过程，研究其对下游机组气动力的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究的目的和意义

1．2 风电机组尾流流动特性

1．3 风电机组远场尾流与近场尾流模型的区别与联系

1．4 国内外研究现状

1．4．1 国外研究现状概述

1．4．2 国内研究现状概述

1．4．3 研究现状与趋势分析与总结

1．5 论文的主要研究内容

1．6 论文的组织结构与章节安排

第2章 风电机组远场尾流RANS模型构造

2．1 引言

2．2 原始方程组与基本假设

2．2．1 制动盘假设

2．2．2 流动对称推论

2．2．3 运动方程简化

2．3 涡量流函数方法

2．4 一方程湍流模型建立

2．4．1 湍流基本知识

2．4．2 湍流模拟方法简介

2．4．3 布西内斯克(bussinesqe)假设

2．4．4 一方程湍流模型

2．4．5 湍流脉动的长度标尺

2．5 小结

第3章 风电机组远场尾流RANS数值模型构造

3．1 计算流体力学技术简介

3．2 解析模型的离散化

3．3 网格与边界条件设置

3．3．1 物理网格生成

3．3．2 坐标变换

3．3．3 边界条件设置

3．4 数值模型求解方法

3．4．1 数值模型简化

3．4．2 求解方法与流程

3．5 小结

第4章 数值模型验证及相关问题讨论

4．1 引言

4．2 风洞试验概述

4．3 气动力计算

4．4 湍流脉动的特征尺度变化率的标定

4．5 尾流形成过程的动态仿真

4．6 尾流模型最终的验证

4．7 CFD模型与解析模型对比

4．8 动态尾流对下游机组出力影响

4．9 小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 论文创新点

5．3 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢