一种风力机尾流湍流强度的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种风力机尾流湍流强度的计算方法，包括以下步骤：基于入流风资源信息、风电机组特征参数等基础数据计算入流的流向湍流强度垂直方向分布型以及尾流区任一流向截面位置处的尾流半径和尾流效应产生的最大附加湍流强度；并计算尾流区位置的附加湍流强度和“抑制”湍流强度；基于上述步骤计算得到风力机尾流任一位置的流向湍流强度。本发明专利技术能够高精度地预测任一空间位置的流向湍流强度，尤其是近尾流湍流强度的“双峰”分布及近地面位置的“湍流减弱”效应，预测精度优于基于计算流体力学的数值模拟结果。为风工程项目中的风力机设计和风电场机组布局优化提供一种准确高效的湍流计算工具。效的湍流计算工具。效的湍流计算工具。

【技术实现步骤摘要】
一种风力机尾流湍流强度的计算方法


[0001]本专利技术属于新能源风力发电
，尤其涉及一种风力机尾流湍流强度的准确快速计算方法，可用于风力机设计和风电场微观选址等风工程项目。

技术介绍

[0002]风流经风力机后在其下游形成尾流，之后在纵向和垂直向扩展、蜿蜒，最终以一种近乎混沌的方式消散。风力机尾流结构复杂，包含叶尖涡、叶根涡和轮毂涡等多尺度耦合涡系，导致尾迹区气流扰动剧烈、湍流强度增大。湍流强度是影响风电机组疲劳载荷和极限载荷的重要因素，成为IEC61400
‑
1风力机安全等级分级的重要参数之一。因此，开展风力机尾流湍流强度研究对于风工程项目中的风资源评估、风力机设计选型和风电场微观选址等工作具有重要的指导意义。
[0003]风电场中，各机组所承受的有效湍流强度由入流环境湍流和尾流湍流两部分组成。其中，环境湍流是指未受到其他机组或障碍物干扰的入流湍流，由风电场地貌条件决定；而尾流湍流是指周围机组产生的尾流所引入的附加湍流，由机组运行状态、机组布局和安装间距等因素决定。当前，基于工程模型的尾流效应量化表征方法在风工程项目中得到了普遍认可和应用，也是风电企业的迫切需求。风工程研究中，主要考虑与平均风速方向平行的流向湍流强度。对此，一系列工程预测模型被相继提出，主要包括从一维到二维再到三维、从考虑单影响因素到综合多因素(含地表粗糙度、入流湍流强度、大气稳定度、风力机气动特性等)，例如Frandsen、Larsen、Quarton、Gao、Takeshi和Ge模型等(Kaldellis J K,Triantafyllou P,Stinis P.Critical evaluation of wind turbines'analytical wake models[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2021,144(4):110991；Gao X,Li B,Wang T,et al.Investigation and validation of 3D wake model for horizontal
‑
axis wind turbines based on filed measurements[J].Applied Energy,2020,260:114272)。
[0004]上述模型一定程度上解决了风力机尾流流向湍流强度预测问题。然而，现有的工程模型还存在以下问题：(1)多数模型局限于预测风力机尾流区的最大湍流强度，认为尾流区湍流强度仅随着流向距离x变化，而在横风向和垂直向为常数，即为一维模型。这与实际情况明显不符。(2)二维模型能够体现轮毂高度平面的流向和横风向湍流强度分布情况，在其计算过程中，涉及到尾流半径的计算，多数相关模型采用经典Jensen模型的尾流半径模型。然而，Jensen尾流半径模型假设风力机尾流在下游呈线性扩张，在无穷远处将无线扩展，这与实际情况严重不符；(3)对于近期提出的少数三维模型(Ishihara T,Qian G W.A new Gaussian
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based analytical wake model for wind turbines considering ambient turbulence intensities and thrust coefficient effects[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2018,177:275
‑
292.；中国专利CN112347611A,2021年,葛铭纬等)，均假设湍流强度在横风向和垂直向呈高斯分布，公式形式复杂且计算过程繁琐。此外，某些变量如尾流半径的计算仅考虑单个因素的影响，而未综
合考虑多因素的影响，这将影响模型在多类工况中的应用普适性。
[0005]综上所述，一方面，当前已发表工作中提出的多数湍流强度计算模型维度较低，不足以全面反映尾流场信息；另一方面，多数计算模型仅考虑单一或两个参数对尾流场的影响，而忽略了其他多种因素的综合影响。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种考虑多参数耦合作用的准确高效且普适性强的风力机尾流湍流强度计算方法。
[0007]技术方案：本专利技术的一种风力机尾流湍流强度的准确快速计算方法，包括如下步骤：
[0008](1)获取入流风资源信息和风电机组特征参数；
[0009](2)计算入流初始的流向湍流强度分布廓线I0(z)；
[0010](3)计算尾流区流向任一截面位置处的尾流半径r
x
，确定尾流影响范围；
[0011](4)计算风力机尾流区流向任一截面位置处尾流效应产生的最大附加湍流强度I
add,max
(x)；
[0012](5)基于双峰分布函数，计算尾流区(x,y,z)位置的附加湍流强度I
add
(x,y,z)；
[0013](6)计算风力机尾流(x,y,z)位置的“抑制”湍流强度ΔI(x,y,z)，在垂直方向上对附加湍流强度的不对称性进行修正；
[0014](7)基于入流的流向湍流强度I0(z)、附加湍流强度I
add
(x,y,z)及“抑制”湍流强度ΔI(x,y,z)，计算风力机尾流任一(x,y,z)位置的流向湍流强度I
wake
(x,y,z)。
[0015]步骤(1)中，需获取的基本数据包括：风力机拟安装位置的局地地貌等级、风力机轮毂高度位置的入流风速u
0,hub
和湍流强度I
0,hub
、来流湍流风的湍流强度的垂直分布(由多点测风设备获得)、风力机风轮直径D和轮毂高度z
hub
、推力系数曲线C
t
(u
0,hub
)等。
[0016]步骤(2)中，入流初始湍流强度I0(z)计算公式为：
[0017][0018]式中，z为距离地面的高度，z
hub
为轮毂高度，I
0,hub
为风力机轮毂高度处湍流强度，α为风速轮廓的指数。I
0,hub
由风速测量设备测得；风切变指数α与局地地貌相关，根据地表粗糙等级(共分为四类等级)，α的取值范围为0.1～0.27(四类等级所对应的α取值分别为0.1、0.15、0.20和0.27)。
[0019]步骤(3)中，尾流半径r
x
的计算公式为：
[0020][0021]式中，r
d
为风轮半径，x为风力机下游任一位置与风轮所在位置的流向距离。
[0022]步骤(4)中，最大附加湍流强度I
add,max
(x)的计算公式为：
[0023][0024]步骤(5)中，附加湍流强度I
add
(x,y,z)的计算公式为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风力机尾流湍流强度的计算方法，其特征在于，计算坐标系x轴、y轴、z轴分别代表流向、横风向和垂直向，所述方法包括如下步骤：(1)获取入流风资源信息和风电机组特征参数；(2)计算入流初始的流向湍流强度分布廓线I0(z)；(3)计算尾流区流向任一截面位置处的尾流半径r
x
，确定尾流影响范围；(4)计算风力机尾流区流向任一截面位置处尾流效应产生的最大附加湍流强度I
add,max
(x)；(5)基于双峰分布函数，计算尾流区(x,y,z)位置的附加湍流强度I
add
(x,y,z)；(6)计算风力机尾流(x,y,z)位置的抑制湍流强度ΔI(x,y,z)，在垂直方向上对附加湍流强度的不对称性进行修正；(7)基于入流的流向湍流强度I0(z)、附加湍流强度I
add
(x,y,z)及抑制湍流强度ΔI(x,y,z)，计算风力机尾流任一(x,y,z)位置的流向湍流强度I
wake
(x,y,z)。2.根据权利要求1所述的风力机尾流湍流强度的计算方法，其特征在于，所述步骤(1)中，入流风资源信息包括：风力机拟安装位置的局地地貌等级、风力机轮毂高度位置的入流风速u
0,hub
和湍流强度I
0,hub
、来流湍流风的湍流强度的垂直分布；风电机组特征参数包括风力机风轮直径D和轮毂高度z
hub
、推力系数曲线C
t
(u
0,hub
)。3.根据权利要求2所述的风力机尾流湍流强度的计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中，入流的流向湍流强度计算公式为：式中，z为距离地面的高度，z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：田琳琳，赵宁，肖鹏程，宋翌蕾，王同光，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：