一种利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法技术

一种利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤1)提取风力机的推力系数C

【技术实现步骤摘要】
一种利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法


[0001]本专利技术涉及风力发电
，具体涉及一种利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法，可用于风电场尾流评估和微观选址等工作中。

技术介绍

[0002]风力机的尾流效应是影响风电场整体发电量的主要因素之一。准确地评估尾流区的速度分布能够最优化风电场内风力机的布局，提高风电场的发电量。同时也能够为风电场的尾流控制提供重要的技术保障。目前，解析尾流模型依靠原理简单、计算快速等优点成为最常采用尾流评估模型。研究人员已经提出了多种解析尾流模型，其中，Jensen尾流模型是最早提出的一种尾流模型，该模型基于质量守恒和恒定速度亏损假设，提出了尾流区速度亏损的表达式，然而由于未考虑动量守恒假设，导致该模型对尾流的预测精度不高。为此，研究人员通过同时考虑质量守恒和动量守恒，开发了Frandsen尾流模型，但是该模型依然采用了恒定速度亏损的假设，导致模型计算的风力机尾流与实际情况相比具有一定偏差。
[0003]以上两种尾流模型均为一维尾流模型，已有研究表明，尾流区的速度亏损在整个风轮面内并非是恒定的，即尾流区的速度亏损并不是一维的。综合以上考虑，本专利技术基于Frandsen尾流模型和高斯函数，提出了一种利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法，以提高对尾流区流场的预测精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了提高对风力机尾流区流场的预测精度，提高风电场的发电量，为风电场的尾流控制提供重要的技术保障，而提供的一种利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法，具体步骤如下：
[0007]1)提取风力机的推力系数C
T
，轮毂高度z
h
，地形粗糙度z0[0008]根据风力机的出厂参数，提取风力机的推力系数C
T
和轮毂高度z
h
；根据风力机所处位置的地形形态(如草地、丘陵、山地等)，确定对应的地形粗糙度z0。
[0009]2)确定比例系数β和尾流扩散系数k
w
[0010]根据公式(1)和公式(2)，计算比例系数β和尾流扩散系数k
w
。其中比例系数β与风力机的推力系数C
T
有关；尾流扩散系数k
w
与风力机的轮毂高度z
h
和地形粗糙度z0有关，代表了尾流区的尾流半径沿流向方向的增加速率。
[0011][0012][0013]3)确定尾流压力恢复到来流压力时的尾流初始直径D1[0014]根据公式(3)计算尾流初始直径D1，其中尾流初始直径D1表示尾流区压力开始恢复到来流压力时的直径，通常要大于风力机的叶轮直径。
[0015][0016]其中：D0为风力机的叶轮直径。
[0017]4)确定尾流直径D
w
[0018]由研究可知，尾流直径沿流向方向是线性扩张的，其扩张速率可以用2倍的尾流扩张系数k
w
表示。即在任一流向位置，尾流直径D
w
可以用公式(4)表示：
[0019]D
w
＝2k
w
x+D1ꢀꢀꢀ
(4)
[0020]其中：x为距离风力机的流向距离。
[0021]5)确定尾流区假定速度U
F
[0022]尾流区的假定速度U
F
可以通过Frandsen尾流模型得出，用公式(5)表示：
[0023][0024]其中：U
∞
为自由来流的速度。
[0025]6)确定高斯函数的标准偏差σ
[0026]尾流区的速度亏损并不是一维的，而是满足一定规律的二维的高斯函数分布，可以用公式(6)表示：
[0027][0028]其中：U
w
为尾流区的速度；σ为高斯函数的标准偏差；C为系数；r为尾流区内距离风力机轮毂中心线的距离。
[0029]尾流区的直径D
w
可以用高斯函数的标准偏差表示，由于高斯函数在
‑
2.58σ～2.58σ范围内的积分面积已经达到总积分面积的99％，因此，尾流区的直径可以用5.16倍的标准偏差表示，即
[0030][0031]7)确定高斯函数的系数C
[0032]采用高斯尾流模型计算得到的流体质量与采用Frandsen尾流模型计算得到的流体质量相等，即两者应满足质量守恒。可以用公式(8)表示：
[0033][0034]根据公式(8)可以得出：
[0035][0036]8)确定尾流区的速度亏损分布
[0037]根据公式(7)(9)可以得到尾流区的速度亏损表示式(10)，该速度亏损是在Frandsen尾流模型的基础上，结合高斯函数进行推导得到的，其速度亏损在风轮面内呈二维分布。定义为二维Frandsen尾流模型。
[0038][0039]9)确定尾流区的速度分布
[0040]根据公式(10)可计算尾流区的速度分布，然后利用尾流区的速度分布可评估尾流区内风力机的发电性能，以及优化风电场内风力机的布置方案。
[0041][0042]与现有技术相比，本专利技术具有如下技术效果：
[0043]本专利技术基于Frandsen尾流模型，通过考虑风力机风轮面内速度亏损并不相同的情况，采用非恒定速度亏损的假设，将Frandsen尾流模型从一维扩展到二维，使得模型计算的风力机尾流更加接近实际情况，提高了对尾流区流场的预测精度，这样可以更为精确的评估尾流区内风力机的发电性能，并提出更为恰当的优化风电场内风力机的布置方案。
附图说明
[0044]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：
[0045]图1为本专利技术的流程示意图；
[0046]图2为分别采用本专利技术和Frandsen模型计算得到的尾流区速度亏损分布图；
[0047]图3为分别采用本专利技术和Frandsen模型计算得到的尾流区速度分布图；
[0048]图4为分别采用本专利技术和Frandsen模型计算得到的尾流区风力机发电功率图。
具体实施方式
[0049]一种利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法，具体步骤如下：
[0050]1)提取风力机的推力系数C
T
，轮毂高度z
h
，地形粗糙度z0[0051]根据风力机的出厂参数，提取风力机的推力系数C
T
和轮毂高度z
h
；根据风力机所处位置的地形形态(如草地、丘陵、山地等)，确定对应的地形粗糙度z0。
[0052]2)确定比例系数β和尾流扩散系数k
w
[0053]根据公式(1)和公式(2)，计算比例系数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤1)提取风力机的推力系数C
T
，轮毂高度z
h
，地形粗糙度z0；步骤2)确定比例系数β和尾流扩散系数k
w
；步骤3)确定尾流压力恢复到来流压力时的尾流初始直径D1；步骤4)确定尾流直径D
w
；步骤5)确定尾流区假定速度U
F
；步骤6)确定高斯函数的标准偏差σ；步骤7)确定高斯函数的系数C；步骤8)确定尾流区的速度亏损分布；步骤9)确定尾流区的速度分布；通过以上步骤提高对尾流区流场的预测精度。2.根据权利要求1所述的利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法，其特征在于，在步骤1)中，提取风力机的推力系数C
T
和轮毂高度z
h
；根据风力机所处位置的地形形态，确定对应的地形粗糙度z0。3.根据权利要求1所述的利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法，其特征在于，在步骤2)中，由公式(1)和公式(2)计算比例系数β和尾流扩散系数k
w
；其中比例系数β与风力机的推力系数C
T
有关；尾流扩散系数k
w
与风力机的轮毂高度z
h
和地形粗糙度z0有关，代表了尾流区的尾流半径沿流向方向的增加速率；有关，代表了尾流区的尾流半径沿流向方向的增加速率；4.根据权利要求1所述的利用二维Frandsen尾流模型对风力机尾流进行计算的方法，其特征在于，在步骤3)中，根据公式(3)计...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子良，易侃，张皓，王浩，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，
类型：发明
国别省市：