CN109086534A - 一种基于cfd流体力学模型的风电场尾流订正方法及*** - Google Patents

一种基于cfd流体力学模型的风电场尾流订正方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法和***，设定风电场以θ°为一个风向扇区进行划分，采用风向旋转模型计算风场尾流流场，包括：根据测风塔主风向数据，建立依据主风向沿X轴方向延展的数值模拟模型，并建立网格化的风电场地形三维实体模型；求解基于雷诺平均Nav i er‑Stokes方程的CFD尾流模型,获得上述主风向扇区的尾流流场；通过地形坐标偏转，计算其它不同风向扇区的尾流流场；结合不同风向扇区的风频对上述各尾流流场进行加权，得到最终的尾流流场，用于计算风电机组间的尾流影响。本发明通过加入地形坐标偏转，以适应不同风向角的CFD流体力学尾流模型的数值模拟，同时考虑了各个风向的风频进行加权，使得尾流区域更加符合真实流场。

Description

一种基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法及***
技术领域
本发明涉及风电场优化控制领域，特别是涉及一种基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法及***。
背景技术
风力发电在电力***的比重持续增加，大型风电场通常由几百台甚至上千台风电机组组成。风电场中风机尾流对下游风机影响较大，风机的尾流计算越来越得到关注。在尾流区域内，不同的风机间的机组间距，风电场的地形特点，以及风特性，都会对尾流评估产生影响，因此需对受到尾流影响的风电机组进行准确评估。
研究风力机尾流效应方法，通常有两种。一种是以半经验模型为主导的Park，Jansen等尾流模型。在不考虑湍流等因素的前提下，假定风机尾流区域按照一定模型方式进行扩散，计算效率可以得到保证，但尾流效应往往预估不足。另一种是基于雷诺平均Navier-Stokes方程的CFD尾流模型模拟计算，由于充分考虑了湍动能特性，可以相对准确的预估尾流分布情况，但其准确性还有待进一步提高。
由此可见，上述现有的风电场尾流计算方法，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可使得尾流区域更加符合真实流场的风电场尾流订正方法及***,成为当前业界急需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法及***，以使得尾流区域更加符合真实流场。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，设定风电场以θ°为一个风向扇区进行划分，采用风向旋转模型计算风场尾流流场，包括如下步骤：
S101,根据风电场测风塔的主风向数据，建立依据主风向沿X轴方向延展的数值模拟模型，并建立网格化的风电场地形三维实体模型；
S102,求解基于雷诺平均Navier-Stokes方程的CFD尾流模型,获得上述主风向扇区的尾流流场；
S103,通过地形坐标偏转，计算其它不同风向扇区的尾流流场；
S104,结合不同风向扇区的风频对上述各尾流流场进行加权，得到最终的尾流流场，用于计算风电机组间的尾流影响。
作为本发明进一步地改进，所述S101中建立网格化的风电场地形三维实体模型具体为：依据风电场及周边范围内的地形等高线数据及粗糙度数据，建立等高线数据及粗糙度数据的三维实体模型，确定风电场上方空气流场区域并建立流场区域网格。
进一步地，所述基于雷诺平均Navier-Stokes方程的CFD尾流模型，选用标准的k-ε湍动模型进行求解。
进一步地，所述S103其具体步骤如下：
A)以S102中主风向上的两风机实体坐标系XOY作为基础；当风向偏转θ角后，建立偏转坐标系X′OY′；
B)在原坐标系中，坐标点位为(X1，Y1)；在偏转坐标系中，坐标点位为(X2，Y2)，可根据原坐标系和转换坐标系的相互关系计算不同扇区的尾流影响。
进一步地，所述坐标系之间的转换关系为：
进一步地，所述S102、S103中，根据风电场测风塔处统计的风速、风向、风频数据，推算出风机位点处的对应数据，进而求解出基于雷诺平均Navier-Stokes方程的CFD尾流模型。
进一步地，所述θ°为30°。
进一步地，所述θ°为45°。
进一步地，所述S104中,最终的尾流流场以电能E表示，当所述θ°为30°时，其计算公式为：
上式中，风机后尾流风速Vwake对应于第i风向扇区的尾流流场的风速，分别由S102、S103计算获得，ρ为空气密度，η为风机能量转化率，
为第i风向扇区的风频。
本发明还提供了一种基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正***，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法步骤。
通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
本发明在求解基于雷诺平均Navier-Stokes方程的CFD尾流模型的基础上，加入地形坐标偏转，以适应不同风向角的CFD流体力学尾流模型的数值模拟，同时考虑了各个风向的风频进行加权，使得尾流区域更加符合真实流场。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例中建立的风电场区域网格图；
图2是本发明实施例中测风塔处统计的风向、风频数据玫瑰图(A)及风速分布图(B)；
图3是本发明实施例中的坐标系转换示意图；
图4是本发明实施例的尾流计算流程图。
具体实施方式
在尾流区域内，不同的风机间的机组间距，风电场的地形特点，以及风特性，都会对尾流评估产生影响，因此需对受到尾流影响的风电机组进行准确评估。
本实施例提供了一种基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，设定风电场以θ°为一个风向扇区进行划分(以θ°＝30°为例，则分为12个风向扇区，如以θ°＝45°为例，则分为8个扇区)，在上述风向扇区划分的基础上，采用风向旋转模型来计算尾流流场，可用于计算风电机组(风机)间的尾流影响。
参考图4所示，其包括如下步骤：
S101,根据风电场测风塔的主风向数据，建立依据主风向沿X轴方向延展的数值模拟模型，并建立网格化的风电场地形三维实体模型；
S102,求解基于雷诺平均Navier-Stokes方程的CFD尾流模型,获得上述主风向扇区的尾流流场；
S103,通过地形坐标偏转，计算其它不同风向扇区的尾流流场；
S104,结合不同风向扇区的风频对上述各尾流流场进行加权，得到最终的尾流流场，用于计算风电机组间的尾流影响。
下面对其进行详细展开说明。
S101,根据风电场测风塔的主风向数据，建立依据主风向沿X轴方向延展的数值模拟模型，即先选择一个主风向扇区，根据风电场测风塔的主风向数据，建立依据主风向沿X轴方向延展的数值模拟模型；依据风电场及周边范围内的地形等高线数据及粗糙度数据，建立等高线数据及粗糙度数据的三维实体模型，确定风电场上方空气流场区域并建立流场区域网格(如图1所示)。
S102，根据风电场测风塔处统计的风速、风向、风频数据，可推算出风机位点处的对应数据，进而求解雷诺平均Navier-Stokes尾流模型获得尾流流场，其求解雷诺平均Navier-Stokes尾流模型中的湍动模型将由Navier-Stokes方程描述，如下：
由上述可知，N-S方程可分解为质量守恒和牛顿第二定律，其中ρ为空气密度，t为时间，P为静压力，ui为速度分量，Fi为体积力分量。为使方程闭合，需对粘性应力张量τij表述如下：
μ为层流粘性系数，变形率张量δij为Kerodiler函数，当i＝j时为1，当i≠j时为0，雷诺应力表述如下：
这里我们选用标准的k-ε湍动模型来求解得出，同时湍流粘性为cu取0.09。
S103,通过地形坐标偏转，计算其它不同风向扇区的尾流流场。设定风电场以30°为一个风向扇区进行划分，各扇区对应的风速、风向、风频如图2所示，其步骤如下：A)建立主风向两风机实体坐标系XOY；B)当风向偏转30°角后，建立偏转坐标系X′OY′；C)在原坐标系中，坐标点位为(X1，Y1)；在偏转坐标系中，坐标点位为(X2，Y2)，可根据原坐标系和转换坐标系的相互关系计算不同扇区的尾流影响。则当风向偏转30°后，用原坐标来表述新坐标系下的关系为(配合图3所示)：
S104依据不同风向扇区的风频进行加权，得到尾流流场，可用于计算风电机组间的尾流影响。采用个风向的风频对尾流模型进行控制，当风场以30°为一个扇区进行划分即：
其风机后尾流风速Vwake对应于第i风向扇区的尾流流场的风速，分别由S102、S103计算获得(由N-S计算流体力学方程得出)，ρ为空气密度，
η为风机能量转化率，为第i风向扇区的风频，通过以上模型可以数值模拟出空气流场区域的风速，由CFD流体力学模型计算流程与各风向风频进行加权，优化计算流体力学模型结果。
本发明的基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，S102为现有成熟技术；本发明对其的贡献主要在于，在上述CFD流体力学模型的基础上进行订正，S103和S104对尾流模型方法改进，改进后加入地形坐标偏转，以适应不同风向角的CFD流体力学尾流模型的数值模拟，同时考虑了各个风向的风频，使得尾流区域更加符合真实流场。
本实施例还提供了一种基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正******，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。采用上述风电场尾流计算***，可以在风电场建设前期需要对风机后的尾流区域做出准确评估，使得尾流区域更加符合真实流场。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，其特征在于，设定风电场以θ°为一个风向扇区进行划分，采用风向旋转模型计算风场尾流流场，包括如下步骤：
S101,根据风电场测风塔的主风向数据，建立依据主风向沿X轴方向延展的数值模拟模型，并建立网格化的风电场地形三维实体模型；
S102,求解基于雷诺平均Navier-Stokes方程的CFD尾流模型,获得上述主风向扇区的尾流流场；
S103,通过地形坐标偏转，计算其它不同风向扇区的尾流流场；
S104,结合不同风向扇区的风频对上述各尾流流场进行加权，得到最终的尾流流场，用于计算风电机组间的尾流影响。
2.根据权利要求1所述的基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，其特征在于，所述S101中建立网格化的风电场地形三维实体模型具体为：依据风电场及周边范围内的地形等高线数据及粗糙度数据，建立等高线数据及粗糙度数据的三维实体模型，确定风电场上方空气流场区域并建立流场区域网格。
3.根据权利要求1所述的基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，其特征在于，所述基于雷诺平均Navier-Stokes方程的CFD尾流模型，选用标准的k-ε湍动模型进行求解。
4.根据权利要求1所述的基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，其特征在于，所述S103其具体步骤如下：
A)以主风向上的两风机实体坐标系XOY作为基础；当风向偏转θ角后，建立偏转坐标系X′OY′；
B)在原坐标系中，坐标点位为(X1，Y1)；在偏转坐标系中，坐标点位为(X2，Y2)，可根据原坐标系和转换坐标系的相互关系计算不同扇区的尾流影响。
5.根据权利要求4所述的基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，其特征在于，所述坐标系之间的转换关系为：
6.根据权利要求1所述的基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，其特征在于，所述S102、S103中，根据风电场测风塔处统计的风速、风向、风频数据，推算出风机位点处的对应数据，进而求解出基于雷诺平均Navier-Stokes方程的CFD尾流模型。
7.根据权利要求1所述的基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，其特征在于，所述θ°为30°。
8.根据权利要求1所述的基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，其特征在于，所述θ°为45°。
9.根据权利要求1所述的基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正方法，其特征在于，所述S104中,最终的尾流流场以电能E表示，当所述θ°为30°时，其计算公式为：
上式中，风机后尾流风速Vwake对应于第i风向扇区的尾流流场的风速，分别由S102、S103计算获得，ρ为空气密度，η为风机能量转化率，
为第i风向扇区的风频。
10.一种基于CFD流体力学模型的风电场尾流订正***，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至9任一项所述的方法的步骤。
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