风电场地形绕流的CFD结果确认研讨.pdfVIP

中国T程热物理学会 热机气动热力学 学术会议论文 编号：062091 风电场地形绕流的CFD结果确认研究 魏慧荣，康顺 华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室北京102206 联系电话：010 E-mail：kangs@ncepu．edu．cn 摘要：掌握复杂地形区域的风能分布对风电场微观选址至关重要。为把CFD技术应用于风场中实际 地形的风流动模拟，本文选择三种具有实验数据的典型地形进行数值计算，并对数值结果进行确认 研究。文中简述了不同网格和不同湍流模型对旋涡位置和速度分布的影响，并探讨了为增加风能利 用率，如何确定风力机的最佳安装位置。 关键词：风电场选址；后台阶；方体绕流；三维圆形陡坡；结果确认 1．引言 19世纪末，风能开始用来发电，解决了大部分偏远山区的电气化问题，20世纪 70年代以后风力发电开始蓬勃发展。风力发电在可再生能源的利用中有着不可估量的 发展前景，而风电场选址作为风电场建设项目的前期工程，对风电场效益及风电场建 设的成败起着重要的作用，所以，对风电场选址的研究越发重要。 风电场选址包括宏观选址和微观选址。宏观选址是在一个较大的地区，经过对气 象条件等多方面进行综合考察后，选择一个风能资源丰富，而且最有利用价值的小区 域的过程。微观选址是在宏观选址中选定的小区域中确定如何布置风力发电机组，使 整个风电场具有较好的经济效益的过程。在此过程中，特别要注意地形地貌对风流动 的影响。山区的山脊、隘口、山谷，深山中的峡谷、缺口或山凹、孤立山丘、悬崖和 山顶平台等，平原地区的地面租糙度、房屋建筑和树木等障碍物，这些都会使人气边 界层流动产生绕动(如导致人尺度的流动分离和同流发生、增强风流动的湍流强度)， 从而影响风力发电的效率，破坏风力机的安全运行，缩短风力机的寿命。所以，在建 风场之前，人们迫切需要研究并掌握风场周围的地形和地貌对风流动的影响程度。 除了部分沿海和内陆的平原地区外，我国的大部分风场都处于复杂地形地貌的山 区，而采用标准线性模型(如WAsP软件)模拟风场条件，就不能充分地再现复杂地形 的风条件。因此，为了把现场测量的风条件外插到风力机安装位置和机舱高度处，需 要采用适当的模拟工具。而CFD模拟就是一个可替代常规工具并且很有前途的方法。 与把地形、粗糙度和障碍物等影响用参数表示，计算风统计值的现有软件(如WASP) 相比，CFD模拟类似于虚拟的风洞实验，将计算三维的风场绕流。 近年来，随着计算机技术和数值计算技术的匕速发展和完善，CFD(计算流体动力 学)已经在各种流体力学问题的分析中得到广泛地应用。使得利用CFD技术数值模拟 285 和分析风场周围的地形和地貌对风流动的影响成为可能。在使用CFD软件对复杂地形 地貌绕流进行数值模拟之前，需要对所采用的数值方法进行一定的确认。为此，本文 选取具有较好实验数据的典型几何模型一一后台阶、方体流动和圆形陡坡进行数值计 算。CFD软件选用已在很多工业问题得到成功应用的NUIV[ECA商用软件。 2．研究模型和数值方法 研究模型：影响大气边界层风特性的地形可分为两类：低凹地形(如山谷、盆地 和山隘等)和隆升地形(如山脊、山丘、山崖和房屋建筑等)。本文采用图l所示的二 维后台阶Ⅲ地形作为代表研究低凹地形，采用方体扰流‘2’和三维圆形陡坡‘31来研究 隆升地形． i)后台阶模型 ii)方体绕流模型 iii)圆形陡坡模型 图1几何模型 图中x轴为来流方向，z轴竖直向上。流动介质均为理想气体。 对于后台阶摸型，入口的主流速度U。r=44．2m／s，H=O．0127m： 对于方体模型，入口的主流速度U“=19．72m／s：边长L=1； 对于圆形陡坡模型，入口的主流速度U。r=5．5m／s，坡型满足以下函数：． Z(”)：胁s2f万笠等堂l其中：h=40m,L砌0mo． z