水平轴风力发电机尾流效应的研究

基于IDDES方法的大型水平轴风力机气动特性与尾流分析基于IDDES方法的大型水平轴风力机气动特性与尾流分析一、引言随着环境保护和可再生能源的重要性逐渐凸显，风力发电成为了当今世界上最主要的可再生能源之一。

大型水平轴风力机是风力发电的核心设备之一，其性能优化对于提高发电效率至关重要。

气动特性和尾流分析是评估风力机性能和研究风场中不同风力机排布布局的关键要素。

二、IDDES方法的原理及特点IDDES（Improved Delayed Detached Eddy Simulation，改进的延迟分离尾流模拟）是一种半物理数值模拟方法，结合了雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）和大涡模拟（LES）两种方法的优点。

IDDES方法适用于湍流流动的模拟，能够较好地预测风力机在不同工况下的气动特性。

与传统的RANS方法相比，IDDES方法能够更精确地模拟湍流结构，尤其对于边界层流动、挡风罩等复杂几何结构的湍流模拟效果更佳。

而与LES方法相比，IDDES方法在计算时间和计算资源消耗上更加经济高效。

因此，使用IDDES方法进行大型水平轴风力机气动特性与尾流分析具有很高的研究价值。

三、大型水平轴风力机气动特性分析1. 数值模拟模型的建立首先，根据实际风力机的几何参数，建立风力机的三维模型。

利用计算流体力学（CFD）软件，应用IDDES方法对风力机的气动特性进行模拟。

2. 气动力特性评估利用IDDES模拟结果，可以得到风力机的气动力特性，如风力机叶片上的气动力分布、升力系数、阻力系数等。

通过对比实际风力机的气动力测试数据，验证IDDES模拟结果的准确性。

3. 流场分析IDDES方法能够模拟风力机周围的流场情况，包括风力机叶片表面的湍流结构、气动力影响区域的湍流特性等。

通过对流场分析可以深入了解风力机周围的流动特征，为设计和改进风力机提供重要依据。

四、大型水平轴风力机尾流分析1. 尾流特性描述利用IDDES方法模拟大型水平轴风力机的尾流特性。

基于测风数据的经验尾流模型适用性分析研究吴阳阳【摘要】风电机组的尾流效应是风电场能量损失的重要因素,研究尾流效应是为了优化风机布置,尽量减小风力机尾流的影响,降低风电场能量损失,使风电场的经济性达到最佳.而现有的许多工程应用的经验尾流模型,在准确性和适用性上都存在差异.以单台水平轴风电机组经验尾流模型为研究对象,分析了Jensen模型、Larsen模型、Frandsen模型和无粘近场模型等具有代表性的经验尾流模型的各自优缺点以及适用条件.然后,针对Jensen模型和无粘近场尾流模型的缺点进行了改进,并结合改进Jensen模型与改进的无粘近场尾流模型,分段建立了准确度更高适用性更强的全场尾流模型.最后,基于Sexbierum风电场尾流区测风数据对建立的全场尾流模型进行了对比验证.结果表明,全场尾流模型能够较好的拟合风场的实测数据,可以适用于风力机全场尾流速度分布的模拟以及指导工程实践.【期刊名称】《浙江电力》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】7页(P92-98)【关键词】风电机组;尾流模型;对比验证;全场尾流模型【作者】吴阳阳【作者单位】华能国际电力股份有限公司浙江清洁能源分公司,杭州 310014【正文语种】中文【中图分类】TM621.2;TK223.26风力机是将自然界风能转化为机械能进而转化为电能的核心设备。

当风吹过风力机时引起风轮的旋转，由于风动能到风轮机械能的转换，风力机下游会出现风速减小、湍流强度增大、风剪切加剧等流动特征；经过一段下游距离之后，在周围气流的作用下风速逐渐得到恢复，这被称为风力机的尾流效应。

风速的降低使得下游风力机的输出功率降低，强湍流和附加的风剪切会影响下游风力机的疲劳载荷、结构性能和使用寿命，进而影响整个风电场的运营寿命。

风电场中许多风力机布置在一起，一些风力机将处于另一些风力机的尾流中，使风力机的性能受到影响，功率输出减小，影响整个风电场总的功率输出[1]。

风力发电机组的尾流效应研究与优化引言随着对可再生能源的需求不断增长，风力发电作为一种清洁且可持续的能源形式受到了广泛关注。

然而，风力发电机组在发电过程中会产生尾流效应，这一效应对于机组后方的发电机组和环境都会产生一定影响。

因此，研究和优化风力发电机组的尾流效应显得非常重要。

尾流效应及其影响尾流效应是指风力发电机组运转时，机组旋转的风叶会引起机组后方的气流下降速度增加、气压增大以及湍流强度增加等情况。

这种气流扰动会对机组后方的其他发电机组以及周围环境造成一定的影响。

对于机组后方的发电机组来说，尾流效应会导致其收到来自前方机组产生的湍流扰动，从而减少了被风力利用的效率。

尤其在多台机组并网的情况下，若未对尾流效应进行优化，会导致前排发电机组产生明显的功率损失。

因此，研究尾流效应对发电效率的影响，并针对性地进行优化，对于提高整个风电场的发电能力至关重要。

另一方面，尾流效应还会对周围环境产生影响。

高速下降的气流会导致周围地面气温升高、湿度降低以及土壤水分蒸发速度加快，可能对农作物生长和土地利用产生一定的负面影响。

此外，尾流效应还可能对气象和大气环境产生一定的干扰。

因此，优化风力发电机组的尾流效应对于减少对周围环境的负面影响具有重要意义。

尾流效应的研究方法研究风力发电机组的尾流效应通常采用实地观测、数值模拟以及风洞试验等方法。

实地观测是直接观察机组运转时尾流效应的发展和变化情况。

通过布设风速仪、湍流传感器以及气象观测设备等，可以获取到尾流效应产生的数据，并分析其对发电机组和环境的影响。

这种方法可以提供实际运转状态下的尾流效应数据，对于研究和优化具有重要参考价值。

数值模拟是通过计算流体力学方法对尾流效应进行模拟和分析。

研究人员利用风力发电机组的几何参数和运转条件建立数学模型，运用计算流体力学软件模拟机组运转时的风流场分布、湍流强度以及气压分布等信息。

通过数值模拟可以更为全面地了解尾流效应的分布和变化规律，并指导优化设计。

精密制造与自动化2018年第3期4致动盘模型与CFD结合的风力机尾流研究*代丹丹 1 马博1（新疆工程学院机械工程系乌鲁木齐830023）摘要提出一种简便的致动盘模型，结合CFD的研究方法对风力发电机的尾流流场进行数值研究，得出了风机尾迹区的流动状况和风轮中心轴向速度分布以及风机下游不同位置处的径向速度分布。

计算结果与风洞实验结果吻合较好，表明采用的方法可以用于风力机流场模拟，能够较好地捕捉尾流的流场特性。

致动盘模型与CFD 结合的风力机尾流研究方法能够在计算量相对较小的情况下准确反映远尾流的流场信息，可以作为工程应用的工具，为风场风力机排布提供参考依据。

关键词风力发电机尾流致动盘CFD气流在经过旋转的风轮后，由于风轮吸收了部分能量，风轮后的尾流动能小于来流动能，在风机的下风向会产生类似轮船尾流的效果，该区域内产生较大的湍流，同时降低风速，对后面的风电机组发电量产生影响，即尾流效应。

风机尾流效应是风电场风机布置中需认真考虑的问题，因为其与风能资源状况、风机可用系数共同决定风电产量。

风机布置的基本原则是：尽可能减少风机尾流效应及最大程度利用风能资源。

因此，研究风力机尾流特性对风机性能的影响，对于合理布置风力机，提高风能利用效率起着非常重要的作用。

目前对于风机尾流的研究主要采用实验方法和计算流体力学（CFD）方法。

实验研究迫于实验条件和资源的限制，采用此方法的学者还不是很多。

更多的学者采用CFD方法对风力机尾流流场进行模拟。

然而，风力机通常都布置在风场中，对风力机群之间的尾流互扰影响的研究需要占用大量的计算资源和计算时间，使得采用CFD方法在研究多台风力机尾流特性时存在较大困难。

因此很多学者提出用致动模型代替风力机叶片，这样在计算的时候不需建立真实叶片几何网格和求解叶片边界层的流动，从而降低计算成本和对硬件的要求，可以研究多台风力机尾流特性[1]。

田琳琳[2]采用致动盘理论*新疆工程学院科研基金项目编号：2014xgy121612 和CFD理论，研究了风电场内的尾流干扰情况。

水平轴风力机尾流结构及空气动力学性能的研究水平轴风力机尾流结构及空气动力学性能的研究引言：水平轴风力机是一种利用风能转化为电能的装置，具有广阔的应用前景。

然而，在实际运行中，水平轴风力机的尾流结构和空气动力学性能对其性能和经济性有着重要的影响。

因此，研究水平轴风力机尾流结构及空气动力学性能对于提高风力发电系统的效率和可靠性具有重要意义。

一、水平轴风力机尾流结构1. 尾流的形成和特点：尾流是指风力机旋转产生的空气流动过程中形成的旋涡结构。

尾流的形成主要是由于风力机桨叶在旋转过程中对空气的驱动和阻力效应。

尾流的特点是旋涡区域的速度较低，压力较高，同时还存在对流、湍流等复杂的物理现象。

2. 尾流的流场特性：研究发现，尾流的流场特性对水平轴风力机的效率和性能具有重要影响。

尾流的特点不仅影响着风力机后续阵列间的布局和安排，还会影响到桨叶的疲劳和噪声特性。

因此，了解和研究尾流的流场特性对于优化风力机的设计和运行具有重要意义。

二、水平轴风力机空气动力学性能1. 桨叶的载荷和力矩：风力机桨叶受到风的作用会产生载荷和力矩。

研究发现，载荷和力矩的大小和分布对风力机的动力性能和运行稳定性有着重要的影响。

因此，研究桨叶的载荷和力矩分布特性有助于优化风力机的结构设计和风能转化效率。

2. 效率和发电能力：风力机的效率是指风能转化为电能的比例。

研究表明，风力机的效率与风速、桨叶的设计和材料、尾流结构等因素密切相关。

在风速不稳定的情况下，风力机的效率和发电能力存在较大的波动。

因此，提高风力机的效率和发电能力需要研究空气动力学性能以及尾流结构的影响。

结论：水平轴风力机尾流结构和空气动力学性能对风力机的效率和经济性具有重要影响。

研究尾流结构和空气动力学性能对于优化风力机的设计和运行具有重要意义。

未来的研究方向可以包括：尾流结构的数值模拟和实验研究、水平轴风力机的动力学建模和优化设计以及风力机群集的布局与调度等方面。

通过深入研究尾流结构和空气动力学性能，我们可以进一步提高水平轴风力机的效率和可靠性，推动风力发电技术的发展综上所述，水平轴风力机的空气动力学性能对于优化其设计和运行具有重要意义。

尾流效应对风电场机组功率特性影响的研究罗海荣;朱丹;李峰;杨雪红【摘要】针对影响风电场机组功率输出的问题,通过实地考察,选择合适位置安放测量装置,并结合GB/T 18451.2-2003功率特性测试标准进行测试研究,分析不同区域内的风速和风功率输出特性.结果表明:风电机组之间的尾流效应,降低了风电机组的风能利用系数,影响了风电机组的功率输出;因此,在建设风电场时,应充分考虑风电机组之间的距离,尽量减少尾流效应对风电机组的影响.【期刊名称】《宁夏电力》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】5页(P58-62)【关键词】尾流效应;风电场;功率特性【作者】罗海荣;朱丹;李峰;杨雪红【作者单位】国网宁夏电力公司电力科学研究院,宁夏银川750011;宁夏农林科学院,宁夏银川750011;国网宁夏电力公司电力科学研究院,宁夏银川750011;国网宁夏电力公司电力科学研究院,宁夏银川750011【正文语种】中文【中图分类】TK8随着新能源的快速发展，风力发电占电网电源结构比值持续增加，有些大型风电场由几百台甚至上千台机组组成。

由于风力本身具有随机性、波动性和间歇性，给电网的安全运行带来了一系列问题，为更加准确分析大型风电场的动态行为，风电机组间的尾流效应值得关注。

我国地形比较复杂，风电机组的出力又与气象环境关系密切，为了给电网调度提供准确的实测机组功率特性曲线数据，风功率测试系统的准确性变的尤为重要。

实测所获得的数据越准确，风力发电并网给电网的安全运行带来的影响就越小，这样可以增加对风电资源的利用率，提高风力发电的经济性。

鉴于此，本文在文献［1］的基础上，以某风电场为例，选择了2台风电机组，并参考风电机组的地理位置，选择了测量装置的测量位置，通过计算分析和比较，得出不同情况下风速和风功率的输出特性。

风电机组吸收了风中的部分能量，所以当风经过风电机组后，其速度要有所下降。

在大型风电场中，由于风电机组数量较多，迎风面部置的机组会遮挡其后面部置的机组的部分风量［2-3］。

电力系统Electric System2020年第24期2020 No.24电力系统装备Electric Power System Equipment1 风电场群间尾流效应分析文中选取宁夏两个风电场群作为分析研究对象，其风电场群有如下特性：（1）两个风电场群地势均相对平坦，主风向稳定且相对集中；（2）风电场群（一）风机排布较规则；风电场群（二）风机排布无规则。

基于风电场群实时测风塔数据进行流场测量，揭示大型风电场群上下游风电场间尾流效应的影响。

1.1 风能资源参数选取和计算风电场群（一）位于宁夏回族自治区贺兰山南段，地势开阔且平坦，局部有起伏，海拔1300~1400 m ，由于风场处于咽喉狭窄地带，风电场主导风向西北风，年盛行风向及风能风向一致且稳定，月平均风速呈现明显的季节性变化，春季风速最大，秋季风速最小。

风电场群（一）分五期建设，总装机169台，装机容量18.3万kW 。

风电场群（一）周围先后设有11座测风塔，本次采用其中2座测风塔数据分析尾流效应。

风电场群（二）场址位于宁夏回族自治区吴忠市太阳山开发区境内，海拔1400~1430 m ，为半荒漠土地，地势平坦开阔，风电场主导风向东南偏南风，风场年盛行风向及风能风向一致且稳定，风电场群（二）分七期建设，总装机271台，装机容量34.3万kW 。

风电场群（二）周围先后设有7座测风塔，本次采用数据完整的1座测风数据分析尾流效应。

风电场群的计算均采用美国航天局SRTM 信息地图资料作为风电场地形图的来源，运用MeteodynWT 软件对该区域进行风资源评估，并得到该区域的尾流效应平均折减率和年平均发电量。

1.2 风电场群（一）尾流效应图1 风电场群（一）风机机位图图2 风电场群（一）风能分布模拟图由图1、图2可见，风电场群（一）的风向风况较单一，前三期风场风机机位排布规律，其在盛行风向上机组相隔为360 m 左右，约为6倍风轮直径，在垂直于盛行风向上机组间相隔240 m 左右，约为4倍风轮直径。

考虑尾流效应的风电场有功功率控制策略研究尾流效应是指当一台风力发电机转动时，其旋转叶片所形成的气流将影响其后方的其他风力发电机的工作效率。

同时，研究表明，风力发电机之间的距离越近，尾流效应越显著。

因此，在风力发电场中，采取合理的有功功率控制策略可以有效减少尾流效应对发电量的影响，提高电站发电效率和经济效益。

有功功率控制策略是指通过改变风力发电机的输出功率来控制尾流效应。

在风力发电场中，制定合理的有功功率控制策略需要考虑以下因素：首先，风速是影响风力发电机输出功率的重要因素。

因此，在制定有功功率控制策略时，需要根据实际风速情况调整发电机的输出功率。

具体来说，当风速较低时，提高发电机的输出功率可以降低尾流效应的影响；当风速较高时，适当降低发电机的输出功率可以减少尾流效应对后方风力发电机的影响。

其次，风向也是影响风力发电机尾流效应的重要因素。

因此，在制定有功功率控制策略时，需要考虑风机之间的布局和方向，使得风机之间的相互作用最小化。

具体来说，在风向相同的情况下，应尽量避免将风机布局在同一直线上，而应将风机布置为互相错开的方式，以最大限度地减少尾流效应的影响。

最后，风力发电场中的风机数量和类型也会对有功功率控制策略的制定产生影响。

在小型风力发电场中，风机数量相对较少，且类型单一，因此可采取较为简单的有功功率控制策略。

而在大型风力发电场中，风机数量较多，类型较复杂，因此需要采用更加复杂的有功功率控制策略，以保证风力发电机之间的相互作用最小化。

在实际应用中，考虑尾流效应的风力发电场有功功率控制策略可分为两种：集中控制和分散控制。

集中控制策略通常通过预测风速和风向等气象因素，控制整个风电场内的所有风机，以最大化整个风电场的发电效率。

分散控制策略则将每个风机都设置为独立控制单元，通过风机之间的通讯和协调来最小化尾流效应的影响。

总之，考虑尾流效应的风力发电场有功功率控制策略是提高风力发电场经济效益和可靠性的重要措施。

风机尾流分析摘要在风电场场址选定的情况下，风电机组之间的尾流影响风电场风机的优化布置。

目前，国内外关于符合风电场风机实际尾流以及迭加模型的研究主要侧重于一维线性模型及其迭加模型的实际应用。

为此，推导建立了更加完整合理的一维非线性扩张尾流模型，即尾流影响边界随距离非线性增大；此外，根据风机尾流迭加的实际情况，分别推导建立了完整的风机尾流迭加计算模型来适应现有风电场的不同情形。

通过相关工程算例结果与三维数值模拟计算结果的对比分析表明，所建立的风机尾流模型和尾流迭加模型更加合理，可有效提高风电场的发电效益。

结合制动盘理论与CFD方法，采用FLUENT软件对置于有限面积的风电场内的9台风力机尾流相互干扰情况进行数值模拟。

风电场内风力机机组呈梅花型排布，考虑入流角分别为0°、15°和30°代表风力机的偏航现象，利用FLUENT提供的FAN边界将风力机风轮简化为无厚度的产生压力跃降的制动盘，采用N-S 方程求解整个风电场的流场分布。

该文给出流场的速度分布、涡量分布及风力机机组周围的风能密度与湍流强度分布，反映了上游风力机机组的尾流会对下游机组的流场产生干扰的现象。

通过对风电场和风力机的成功模拟表明，制动盘理论结合CFD 的方法适用于风电场和风力机的流场模拟，可为风电场微观选址和风力机排布提供参考，且计算量远小于完全数值模拟方法。

关键词：风电场；风机优化布置；尾流模型；尾流迭加模型AbstractIn the case of wind farm site selection, layout optimization for wind turbine wake effects between wind turbine. At present, domestic and foreign about the practical application of the actual fan wake and overlay model of wind farm mainly focus on the one-dimensional linear model and its superposition model. Therefore, a more complete and reasonable derivation of one-dimensional nonlinear wake model, namely the slipstream boundary nonlinear increase with distance; in addition, according to the actual situation of WTG wake, respectively, are established by the fuller WTG flow superposition to adapt to different situation of existing wind farm model. Through the project example analysis results show that compared with thethree-dimensional numerical simulation of wind machine, the flow model and wake superposition model is more reasonable, can effectively improve the generation benefit of wind farm.Combined with the brake disc and CFD theory, using FLUENT software for wind farm in the limited area of the 9 sets of wind turbine wake interaction simulation. A wind farm wind turbine unit in the club arrangement, taking into account the yaw angle was 0 ° flow phenomenon, 15 ° and 30 ° representative wind machine, FAN boundary FLUENT provided by the use of the wind turbine is simplified to produce brake disc pressure jump down without thickness, by solving the N-S equation of the wind power field the flow field distribution. Wind energy density and turbulence intensity distribution is presented in this paper, the velocity distribution of flow field around the vorticity distribution and wind turbine generator, reflect the will of the flow field downstream units generate interference phenomenon of wind turbine generators upstream wake. The wind farm and wind turbine simulation shows that success, to simulate the brake disc theory combined with CFD method is applied to the wind farm and wind machine, can provide the micro-siting wind turbine arrangement and reference for wind farm, and the calculation method is far less than the amount of numerical simulation.Keywords: wind power; wind turbine layout optimization model; wake; wake superposition model引言随着风电技术的快速发展，以及风力发电在电力系统中比重的持续增加，大型风电场通常由几百台甚至上千台风电机组组成。