2024风力机组尾流模型适用性评价.docx

风力机组尾流模型适用性评价O引言由于全球能源储备的紧缺以及化石能源的污染问题，风能等清洁能源规模不断扩大，能源消费占比将逐渐提高，海上风场发展也呈现出大容量、集中化等特点口,对于规模化海上风场，上游机组所产生的尾流势必会导致下游机组发电量有所下降，强湍流和附加的风剪切会影响下游机组的疲劳载荷、结构性能和使用寿命。因此详细了解机组尾流速度和湍流分布，进而优化设计海上风场机位排布成为当下的热门话题。风场机组尾流计算主要有3种方式，基于实验数据拟合的半经验尾流模型川、基于势流理论的制动盘或制动线模型网基于N-S方程的CFD模型。后两者虽计算结果精度更高，但因其所需的庞大计算资源，无法适应快节奏的风场项目工程需求，使得两者在实际工程中的运用受到极大限制。而半经验尾流模型因具备计算效率高，计算精度满足工程要求等优势而受到WT、WASP等风资源商业软件的青睐，且被广泛应用于风场前期规划设计中。半经验尾流模型最早由JenSen提出,6米由KaliC等和FrandSen等迎道一步开发.该银吟阑以计算效率离且通过强It实必）证明了取泅慢恁,但箕IW梨的风速分布并不符合实际机蛆足迪情况2Jo数值模拟3J和风汨渊川均依科区度送度制35近似于高斯曲战杨祥生习基干月流网速高斯时称分布假谀时PiUk模型9进行修正,排出了二维尾流掇型基比以上模型均未考虔湍流的动态影响.但是流消洪希性的分析式早在1988年使巳由现例却AilNHe等16MagnUSSO等I、Crespo等网、Frandsen等"，因此一些学者在尾流风速预估中进一步考虑了尾流湍流的影响川。Ishihara等因考虑高度松的风速变化,进一步要出了三做流对于尾流银取适用愎研究方面,吴阳阳23仅通过一组风雨实益般摄研究了3和一维候出的优缺点CanagnH。等网所研究的尾流模型参数均根据两组实验工况进行定制化寻优，无法较好得到模型多工况下适用性情况。目前机组半经验尾流模型相关研究大多集中在单一尾流模型的提出和优化上，对于多个尾流模型的全面对比分析相关研究较少。本文对8个常见风力机组尾流模型进行了系统的研究，依托3组风场实测或风洞实验数据，着重分析了各模型尾流风速和湍流强度的预估情况，为海上风场机位排布优化及尾流控制分析的尾流模型选择提供参考。1尾流模型介绍本文对几个尾流模型的尾流速度和湍流强度预测进行研究，各模型所具备的预测功能如表1所示。表1模型预测功能汇总Tab.1Summaryofmodelpredictionfunctions模型尾流速度湍流强度JensenXPark×FrandsenCrcspoXyI2D-JensenJensen-Gauss注：“'Rt需眼雕该璜则功能：“x”表明不具备该预测功能=XIshihara÷HJenSen模型JenSen尾流模型是一维IlDi尾流模型,利用两个公式来计算尾流半径区域及风速恢复情况，其尾流线性扩展、风速恢复率恒定，轮毂高度处尾流风速水平分布呈“帽形”，如图1所示，图中x、y分别为轮毂高度处下游方向和展向距离，经验公式如下：UiU02<1.0Io6-2I.,I0-40510152025x/m图1Jensen尾流模型Fig.1JensenwakemodelDW42×(A(×x+ro)(1)UU一(2)ro+k×x一°3式中：DW尾流直径<m)：k尾流膨胀系数；机组下游距离Im)：H)风力机叶轮半径，m)；其中尾蠲簸3®风力机所在地形和气象条件的不服,里微解机ZS外献25建议陆上应用取0.075-海上应用取0.04或0.05,而文献26基于相似性理论将尾流膨胀系数与湍流强度相关联，尾流膨胀系数为：A0.4(3)式中：I轮毂高度处湍流强度。1.2 Park模型KatiC等9)在JCnSCn模叁基阳上进一步揖出了包括实际反蛆物理特恺的ID模空Katic等人的R流模型没有使用常见的高斯分55和是假设尾Ji区域内的风速恒定。尾流风速计算公式：()U=U-U,I_Ct(4)°0x(C,)21+Do式中：Ct推力系数；D风力机叶轮直径(m)。1.3 FrandSen模型Frandsen等在1996年提出了关于尾流湍流强度预测的经验模型1以，湍流强度值随下游距离恒定变化，并在2006年基于动量守恒方程，提出了StOrPark分析模型3AM)U°L用于计算尾流直径和尾流风速值.SAM也假设了“顶帽”形状的尾流发展，具体公式为：I=+I2(5)waven52。_7U=Uo221c(6)十J贬+"(7)1()a=+2×aXS-1S-I(8)(w>j)11+v-Ct=2-s=xfD(10)式中：IWave尾流湍流强度；(lj)摸制题数恢展的接数,取0.05：厮碰混流雌的参数，取3。1.4 CreSPO模型Crespo和HernandeZ”引在<m年圻尖验作值方法提出了湍流强度预测经验表达式，该模型同样预测出恒定的湍流强度分布，如下：ItM=0.73XO0-8325XI总5(,严2(11)。=-一一I-Ct(12)/21-(13)式中：=o2+I/add风力机组产生的附加湍流强度；风力机组轴向诱导因子。1 5T锚窜Q游Qn檎想嵋上.OS引入余流膨胀系数:r下游X距离的尾流半径(m)；n刚经过风轮后的尾流半径(m)；1.6Je而鸿轮鬻射丫向距离I皿)。基于Jensen尾流模型和风机尾流柱段的高斯分布理论，Gao等mi开发了TR分析都皿为考虑环境湍流和风力机产生的附加湍流的影响，该模型与2D-hJensen模型进行了相似的处理，尾流膨胀系数2用AWaVC代替，具体公式如下：rx=cv,×x+n(20)(24)雪缈釐露修蠲瞬价鲍端理镖三模型采用一个可变的尾流膨胀系数综合考虑了环境湍流与附加湍流的共同作用，尾流膨胀为非线性状态，其尾流速度与湍流强度计算公式如下：图22D-k-Jensen尾流模型Fig.22D-k-JensenwakemodelC)+4)X0.52 XU6=UOlT-Xh(22)1 +r5J64*U=Uo-(UO-S)Xe(23)21.7Park-GaUSS模型杨祥生基于Park径向风速呈高斯分布提出了Park-GaUSS尾流模型，用于预测风力机尾流速度损失，具体公式如下：rx=k×x+r/=KXG+/(14)waveO(15)(16)(17)111=ro×不鬲U6=Uol-Jxa)2(18)1+三c2LrU=(UO(ZE),、-U*)×cos11×r+U*(19)式中：Kvave综合考虑环境湍流和附加湍流后的尾Ut=U1-2xS(25)U=UN小仁汽T)(26)1 351.8IShihara模型Ishihara和Qian囿通过风力机组层共演模救数值分析研究，提出了一种新的尾流模型，该模型风速预测假设风机下游区域具有线性尾流衰减、自相似性和高斯轴对称性，湍流强度水平分布预估出双高斯形，计算式如下：jf=0.11×C,07×o02(27)=0.23×C-o25oo-17(28)a=0.93×Cr0'75×ooj7(29)0=0.42XCT06W?(30)c=O.15×Ct-o25×o-o7(31)J=2.3×C-,e=l.O×Zool(32)=O.7×C2×o-o45(33)=kx×+,r=y2+(z-H)2(34)DD0UA-U1(M)0W粕F%)COS2×-0.5j05度的对比分析采用案例1和案例2,湍流强度通过案例2和案例3进行研究。2.1案例1:某海域海上风场该项目测试时间为2020年4月6月，测试期间风场主风向为东南偏东方向。以1#机组为基准，主风向下无其他机组尾流影响，如图3所示。测试过程采用1台机舱式激光雷达与1台地面3D扫描式建光声达开展属流图日任务，扒舱式懿霞达用于就取杭解风翁隼面箭方来流风速及环版流籁，3D扫描式激光雷达采用PPI扫描模式，测试风轮平面尾流场风速。案例1的测试数据基本情况如表2所示，风速预估尾流模型参数输入将基于该数据进行。°t>0-50 W图3 1#风力机组位置Fig. 3 Location of wind turbine No. 11>0.5(36)1.120j)JDoCdS2×+0.5j-Q52DODo(7Add=d+e×+f×,+5i7(u(R"Y(r+小舟XeXP-20÷2×exp-22(39)/wave=2+/add2(40)式中：轮毂高度的平均风速ms)：Uh某高度位置的环境风速ms):一据风机底部垂直方向距离m)；代表性尾流宽度Im)；H轮毂高度1m)；k尾流宽度预测模型参数：、b、风速预测模型参数；k、k?、d、f、工湍流强度模型参数C2数据来源介绍本文基于风场测量'风洞实验等3个不同的实测数据来论证各尾流模型的预测性能，其中尾流速表2案例1的输入参数Tab.2Inputparametersforcase1参数工况1工况2自由来流速度UJ(ms)511轮毅高度加m9090风力叶轮直径。m112112推力系数CT0.80()0.574尾流膨胀系数A0.4Z00.410环境湍流强度0.100.062.2 案例2：风洞实验情况该数据为风洞实验数据，在米兰理工大学风洞实验室1刈，采用Gl级比例风力机进行实验，模拟2种不同湍流强度的速度流入，分别为中等湍流强度(o=0.061)和高等湍流强度o=O.ll).如图4所示。其来流风速分别为5.46m/s、5.6m/s。案例2的具体输入参数，如表3所示。2.3 案例3：广东某海上风场该风场为海上风电项目，位于广东省。测试设备包含机舱雷达、扫描雷达各一台，机舱雷达位于机图4风洞实验Fig.4Windtunneltest表3案例2的输入参数Tab.3Inputparametersforcase2表4案例3的输入参数Tab.4Inputparametersforcase3参数数值自由来流速度q(mb)5.46/5.60风力叶轮直径Om1.1推力系数Cr0.68/0.69/0.79尾流膨胀系数R0.4×ll环境湍流强度4,0.061/0.1参数数值自由来流速度U(ms')4T1轮毅