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波浪环境对海上风机尾流场影响数值模拟研究

摘要

海上风电场由于海面地形简单，因此平均风速较高，风能质量好，具有很高的开发

潜力，然而考虑到大型海上风电场受地形影响小，风电场布置简单等因素，尾流效应在

海上风电场中犹受关注。但目前的研究对于海上环境中，风机、波浪和空气间的耦合影

响未见有深入探讨，因此为了探讨波浪环境在不同情况下对风机尾流场的影响并说明其

相关机理，本文基于CFD理论，采用滑移网格法和致动盘理论，建立了多种波浪环境，

依次讨论了波浪环境对于单风机、串列布置的上下游风机的速度场、叶片压力分布等流

场要素的影响，最后参考Lillgrund风电场布置，以致动盘假设下的多风机组数值模型，

讨论了波浪环境在多风机组相互干扰情况下对尾流速度场及风机功率的影响。具体而言，

本文主要完成了以下几个研究工作：

（1）在单相流环境中基于CFD建立了NREL-5MW风机数值模型，通过对时间步

长、网格数量等设计参数进行了收敛性分析，从中选择了合适的时间步长、网格方案进

行了对比验证，分析其功率、推力时历曲线，比对公开数据完成了CFD数值模型的对

比验证工作；

（2）引入两相流模型，通过对比理论解与计算解，完成波浪水池对比验证；并通过

建立均匀风速、静水环境、多波陡环境下不同布置间距的NREL-5MW风机数值模型，

说明了两相流环境对于单风机压力分布、尾流速度场的影响机理；分析了波浪环境对于

单风机尾流场、串列布置下的上下游风机的叠加速度场、叶片压力分布以及推力功率时

历曲线的影响，发现随着波陡度增加，沿来流风向的速度、湍动能分布的不均匀性增加，

一方面使得整体尾流场的非对称性和复杂性显著增强，另一方面也加快了风机尾流场近

远场的尾流速度恢复。

（3）引入致动盘假设，对比Sexierm风场完成对比验证；在此基础上参考Lillgrund

风场建立有48台SWT-2.3-93的大型风电场，分析了Row4整列风机在单相流环境、两

相流环境下的尾流场速度和时均功率，说明了在相互干扰情况下两相流环境对风机场的

影响。数据结果指出，对于上侧风机，波浪环境加快了对稳定尾涡的破坏过程，使得前

侧风机功率有较大的提高；下侧风机的功率则同样受风机间布置间距控制，随着间距增

加，波陡对尾流速度恢复效果才能够趋于显著，证实了适当增大风机间距有助于后侧风

哈尔滨工程大学专业学位硕士论文学位论文

机的功率提升，同时也说明了在较大间距下，工程设计中应当考虑海面波浪环境对于风

机的功率提高影响。

关键词:CFD；海上风机；尾流场；两相流；致动盘模型；

波浪环境对海上风机尾流场影响数值模拟研究

Abstract

Offshorewindfarmsenjoyhigheraveragewindspeedsandsuperiorwindenergyquality

duetothesimpletopographyoftheseasurface,hencedemonstratingsignificantdevelopment

potential.Despitethis,inlargeoffshorewindfarmswheretheimpactoftopographyissmall

andlayoutsarestraightforward,thewakeeffectremainsasignificantissue.Despitethis,the

coupledinfluenceofwindturbines,waves,andairinmarineenvironmentshasnotbeen

extensivelyexploredinexistingresearch.Toinvestigatetheimpactofwaveconditionson

turbinewakefieldsundervariouscircumstancesandintroducetheunderlyingmechanis