一种垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法，包括以下步骤：利用尾流膨胀系数考虑大气边界层的稳定性对风廓线和尾流恢复速度的影响，进而修正垂直轴风力机的2D_k Jensen尾流分布模型。应用改进前后的2D_k Jensen尾流分布模型预测钝尾缘风轮后方不同位置处的速度分布，并与实验数据、Fluent软件模拟结果比较分析，发现改进模型对钝尾缘风轮后方尾流速度分布的预测更加贴近实验，提出垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法。本发明专利技术的垂直轴风力机钝尾缘风轮尾流模型的构建方法，使2D_k Jensen尾流分布模型对风速的分布预测更加准确，且计算过程简单可靠。简单可靠。简单可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法


[0001]本专利技术属于风力机的尾流计算分析
，尤其是涉及一种利用考虑大气稳定性改进垂直轴风力机工程尾流模型构建的方法。

技术介绍

[0002]尾流效应会使风力机后方风速减小、湍流强度增大，影响下游风力机的输出性能。目前，通常采用风场实测、风洞试验以及数值模拟的方法进行风力机尾流特性的研究。其中，风场实测更加真实可靠，但成本较高；风洞试验虽然精度较高，但由于尺寸效应和大气边界层复杂等因素并不能很好地反映真实尾流效应；CFD方法具有一定的精度，但计算量大、耗费时间长。工程尾流模型具有结构简单、计算精度较高、速度快等优点。
[0003]Jensen尾流分布模型由于简单性和鲁棒性在尾流预测中应用的最为广泛。Li等采用Jensen和Larsen尾流模型模拟单风力机的尾流分布，发现Jensen尾流模型对尾流速度预测具有更高的精度。Bmsca等利用Jensen、Larsen以及Frandsen工程尾流模型预测相同实验条件下风力机的尾流速度，发现Jensen尾流模型对风轮后方不同位置处的尾流速度分布预测更加准确。Sedaghatizadeh等将工程尾流模型获得的风力机速度分布与大涡模拟对比，发现Jensen尾流模型预测的速度损失更加贴合仿真值。然而，Jensen尾流模型假设尾流半径呈线性变化，在径向上的风速并不符合高斯或多项式分布，且未考虑当地的大气湍流强度，忽视了风轮所引起的叶片旋涡，低估了湍流对尾流恢复的影响，从而高估速度损失。因此，针对Jensen尾流模型的缺点，张晓东通过改变风力机后方风速对Jensen尾流模型进行改进，同时结合无粘近场尾流模型建立结构更简单、精度更高的全尾流模型。Gao等、Wang等基于Jensen尾流模型考虑尾流风速在径向上呈现高斯分布，构建Jensen
‑
Gaussian尾流模型并进行风电场布局优化。Duc等利用机舱风速计测量的局部湍流强度值修正风力机的尾流膨胀系数，与实验数据对比发现改进Jensen尾流模型能精确地预测风力机后方的速度亏损。Ge等基于Jensen尾流模型考虑尾流速度为高斯分布并保持局部和全局的质量守恒，构建新的2D尾流模型并与数值模拟、风洞测量和现场观测比较，发现改进尾流模型预测风力机后方的速度亏损更准确。田琳琳等基于Jensen尾流模型，利用余弦函数描述尾流速度在径向上的分布，并根据当地的湍流强度改进尾流膨胀系数，构建新的尾流模型为2D_k Jensen。杨祥生等。考虑风力机尾流风速在径向上呈高斯或多项式分布，改进Park尾流模型得到Park
‑
Gauss和Park
‑
polynomial两种新的工程尾流模型，改进的尾流模型不仅精度更高而且径向速度分布更贴合实际。杨祥生等基于Park
‑
Gauss尾流模型，考虑大气稳定性因素确定尾流膨胀系数，得到改进的尾流模型并进行风电场排布优化。宋翌蕾等基于2D_k Jensen尾流模型，考虑风速和湍流强度对尾流的影响提出在径向和轴向速度分布更贴合实际的3D尾流模型。
[0004]以上研究均是针对水平轴风力机展开的，而垂直轴风力机产生的功率大小与来流风向无关，不需要预测来流风向且能通过适当增大风轮的高度来增大扫风面积，意味着在风电场排布中可以通过缩小风力机间的距离增大整个风电场的发电量。因此，鉴于大气边
界层的稳定性对风廓线和尾流恢复速度的重要影响，考虑大气稳定性因素改进2D_k Jensen尾流分布模型，进而预测垂直轴风力机钝尾缘风轮后方的速度分布，本专利技术研究具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的问题是提供一种垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法，该方法可综合考虑大气边界层稳定性和湍流强度修正尾流膨胀系数，进而获得改进的垂直轴风力机2D_k Jensen尾流分布模型；应用改进前后的2D_k Jensen尾流分布模型预测钝尾缘风轮后方不同位置处的速度分布，并与实验数据、Fluent软件模拟结果比较分析，提出垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法，实现2D_k Jensen尾流分布模型对风轮后方风速分布的预测更加贴近实验和准确，且计算过程简单可靠。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0007]1.一种垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0008]步骤(1)，2D_k Jensen尾流分布模型的尾流膨胀系数修正：综合考虑大气稳定性和湍流强度，修正2D_k Jensen尾流分布模型的尾流膨胀系数：
[0009][0010]式中，k
a
为考虑大气稳定性的尾流膨胀系数，κ为冯卡门常数且κ＝0.4，z为风轮的轮毂高度，z0为表面粗糙度，L为Monin
‑
Obukhov长度，ψ
m
(z/L)为风轮廓函数；k
w
为考虑大气稳定性和湍流强度的尾流膨胀系数，C
T
为风轮推力系数且C
T
＝0.68，k
n
为经验常数且k
n
＝0.4，I0为大气来流湍流强度，x为风力机下游距离，D为风轮直径；
[0011]步骤(2)，垂直轴风力机的2D_k Jensen尾流分布模型改进：将尾流膨胀系数修正后风轮后侧x处的尾流半径代入垂直轴风力机的2D_k Jensen尾流分布模型，获得改进的2D_k Jensen尾流分布模型：
[0012][0013]式中，R
x，modify
为尾流膨胀系数修正后风轮后侧x处的尾流半径，R1为风轮后方初始尾流半径；U
x，modify
为综合考虑大气稳定性和湍流强度后风轮后侧x处的尾流速度，y为拟合的指数函数，U0为来流风速，U为原始Jensen尾流模型预测的风速，R为风轮半径；
[0014]步骤(3)，工程尾流模型验证：采用改进前后的2D_k Jensen尾流分布模型进行风轮后侧不同位置处的尾流速度分布预测，并与实验数据、Fluent软件模拟结果比较分析；
[0015]步骤(4)，通过步骤(1)至步骤(3)实现垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法。
[0016]由于采用上述技术方案，与现有方法相比，本专利技术一种垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法，综合考虑大气边界层稳定性和湍流强度修正2D_k Jensen尾流
分布模型的尾流膨胀系数，进而获得改进的垂直轴风力机2D_k Jensen尾流分布模型；应用改进前后的2D_k Jensen尾流分布模型预测钝尾缘风轮后方不同位置处的速度分布，并与实验数据、Fluent软件模拟结果比较分析，该垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法使2D_k Jensen尾流分布模型对风速的分布预测更加贴近实验和准确，且计算过程简单可靠。本专利技术方法解决了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种垂直轴风力机钝尾缘风轮的工程尾流模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)，2D_k Jensen尾流分布模型的尾流膨胀系数修正：综合考虑大气稳定性和湍流强度，修正2D_k Jensen尾流分布模型的尾流膨胀系数：式中，k
a
为考虑大气稳定性的尾流膨胀系数，κ为冯卡门常数且κ＝0.4，z为风轮的轮毂高度，z0为表面粗糙度，L为Monin
‑
Obukhov长度，ψ
m
(z/L)为风轮廓函数；k
w
为考虑大气稳定性和湍流强度的尾流膨胀系数，C
T
为风轮推力系数且C
T
＝0.68，k
n
为经验常数且k
n
＝0.4，I0为大气来流湍流强度，x为风力机下游距离，D为风轮直径；步骤(2)，垂直轴风力机的2D_k Jensen尾流分布模型改进：将尾流膨胀系数修正后风轮后侧x处的尾流半径代入垂直轴风力机的2D_k Jensen尾流分布模型，获得改进的2D_k Jensen尾流分布模型：式中，R
x，modify
为尾流膨胀系数修正后风...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，崔冷双，李伟，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：