【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及风机工程计算的，尤其是涉及一种新式风机尾流耦合方法。
技术介绍
1、在有限的风电场地内获得最大功率的发电量，风机尾流效应的考虑是必不可少的设计核心问题。随着风力发电的日益成熟，人们甚至开始关注风电场间的影响，提出了所谓的“风盗”效应，风电场间的大规模尾流演变会导致处于风电场下游的风机的发电功率显著降低，这说明目前的工程尾流模型远远低估了风机尾流的影响。风机尾流对下游风机的影响达到了不可忽视的程度。尽管随着计算机技术的发展和提高，cfd(computationalfluiddynamic，计算流体动力学)的方法广泛用于风机尾流的数值模拟，但是面对场与场间超长距离的风机尾流计算，cfd方法需要花费大量的计算资源，在工程应用中不切实际。因此，提供了一种新式风机尾流耦合方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种新式风机尾流耦合方法，基于致动线方法的cfd数值模拟风机的近尾流场，得到风机的推力和功率等气动性能以及尾流关键信息，利用dwm方法计算风机远尾流场，其计算时间以小时和天（hours，days）适用于工程设计。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种新式风机尾流耦合方法，包括以下步骤：
3、s1：对于风机尾流计算，分为三个区域依次进行计算，包括风机近尾流区z1，耦合区z2和风机远尾流区z3，设置时间步为t，对三个区域的速度场均进行初始化为，为均匀风速，得到、和分别表示不同区域的速度场；
4、s2：对于风机近尾流区z1，建立风
5、s3：对于耦合区z2，添加指数型松弛因子，进行耦合计算，得到耦合区速度场；
6、s4：对于风机远尾流区z3，将其划分为多个径向等距的圆环，利用追赶法求解动态尾流蜿蜒模型dwm，输入风机近尾流区速度场，获取dwm的入口边界条件，再计算远尾流场的轴向速度和切向速度，得到风机远尾流速度场；
7、s5：采用步骤s3中的方法再次更新耦合区，输出新的耦合区速度场；
8、s6：重复步骤s4和s5，直到计算出所需要的风机远尾流区的速度场。
9、优选的，所述步骤s2中，计算风机近尾流区速度场的具体过程如下：
10、设置风机近尾流区z1的计算域长度为，将风机近尾流区z1的计算域划分为若干个网格，对于风机近尾流区速度场，采用雷诺平均ns方程求解，利用风机致动线模型在ns方程中添加源项代替真实风机叶片，公式如下：
11、；
12、；
13、上式中，ρ为流体密度，u是近尾流速度向量，i=1,2,3 分别代表笛卡尔坐标系下xyz三个坐标轴方向，j=1,2,3 分别代表笛卡尔坐标系下xyz三个坐标轴方向，p是压力，gi是重力加速度，和是粘性应力和湍流应力，是表面张力，是对流体上的叶片效应进行建模的源项，即升力和阻力的矢量总和；
14、在风机近尾流场中，借助风机致动线模型，将风力涡轮机叶片划分为数十个翼型段，使用致动点将每个翼型段替换为根据局部雷诺数和翼型空气动力学参数表计算的物理力，每个致动点力由fk表示，所有叶片节段在处产生的气动力公式如下：
15、；
16、上式中，是各个气动点的升力和阻力的矢量和，、、、分别是三维坐标点及当前计算时间，k是致动点索引，n是致动点分段的总数，是（x，y，z）和第i个致动器点位置之间的距离，ε是决定投影区域宽度的常数；
17、得到风机近尾流区速度场公式如下：
18、；
19、当时间步时，对风机近尾流区速度场计算完成，是计算域的平均轴向风速，u1代表笛卡尔坐标系下x坐标轴方向速度，u2代表笛卡尔坐标系下y坐标轴方向速度，u3代表笛卡尔坐标系下z坐标轴方向速度。
20、优选的，所述步骤s3中，耦合计算的过程如下：
21、耦合计算的公式如下：
22、；
23、上式中，是权重因子：
24、；
25、上式中，是耦合区z2无因次长度或者相对长度。
26、优选的，所述步骤s4中，获取dwm的入口边界条件的过程如下：
27、方程入口边界的径向速度分布：
28、；
29、上式中，p表示耦合区z3处第p个剖面，r是坐标系中计算点到原点的径向间距；
30、方程入口边界的轴向尾流速度，使用以下边界条件的公式计算：
31、；
32、上式中，p表示耦合区z3处第p个剖面，r是坐标系中计算点到原点的径向间距，代表笛卡尔坐标系下x坐标轴方向速度。
33、优选的，所述步骤s4中，计算风机远尾流区速度场的过程如下：
34、风机远尾流区速度场的公式如下：
35、；
36、计算柱坐标系下的轴向速度和切向速度，公式如下：
37、；
38、；
39、上式中，是柱坐标系下的轴向速度轴向梯度，是柱坐标系下的轴向速度径向梯度,r是坐标系中计算点到原点的径向间距，是上一时间段的涡流粘度，使用柱坐标系下的轴向速度和径向速度计算本次的涡流粘度，公式如下：
40、；
41、上式中，与环境湍流相关的滤波器功能，与尾流剪切层相关的滤波器功能，和的滤波函数分别表示环境湍流产生的湍流应力的延迟和尾流剪切层产生的湍流应力的发展，是环境湍流对涡流粘度的影响，是尾流剪切层对涡流粘度的影响，是尾流半宽度，是上一时间步的轴向速度，表示给定下游距离沿半径的的最小值，是轮毂中心的湍流强度。
42、因此，本专利技术采用上述的一种新式风机尾流耦合方法，具有以下好处：
43、（1）在本专利技术中，把基于计算流体力学的致动线方法计算风机气动性能准确，可解析尾涡细节的优点以及动态尾流蜿蜒模型（dynamic wake meandering (dwm) model）计算风机尾流快速，节约计算资源的特点有效地结合起来，使得计算结果的精度和效率都提升了一个档次，本耦合模型属于准高精度尾流模型，但计算效率要远远高于高精度尾流模型。
44、（2）在本专利技术中，通过数值松弛的方法实现了即使cfd使用较小的计算域也能避免速度回流的问题，保证计算域内的速度压力耦合计算的稳定性。
45、（3）在本专利技术中，采用cfd的近尾流场的速度分布作为dwm的入口边界，克服了dwm模型本身对近尾流场预报误差较大的缺点，充分发挥了dwm高效的特点。
46、下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
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1.一种新式风机尾流耦合方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种新式风机尾流耦合方法，其特征在于：所述步骤S2中，计算风机近尾流区速度场的具体过程如下：
3.根据权利要求2所述的一种新式风机尾流耦合方法，其特征在于：所述步骤S3中，耦合计算的过程如下：
4.根据权利要求3所述的一种新式风机尾流耦合方法，其特征在于：所述步骤S4中，获取DWM的入口边界条件的过程如下：
5.根据权利要求1所述的一种新式风机尾流耦合方法，其特征在于：所述步骤S4中，计算风机远尾流区速度场的过程如下：
【技术特征摘要】
1.一种新式风机尾流耦合方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种新式风机尾流耦合方法，其特征在于：所述步骤s2中，计算风机近尾流区速度场的具体过程如下：
3.根据权利要求2所述的一种新式风机尾流耦合方法，其特征在于：所述步骤s3中...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁煜明，周斌珍，杨知为，林超暖，金鹏，王泽栋，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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