復雜地形風資源特性的數值模擬研究.pdf

1、在風場的微觀選址工作中，首先要計算風電場的風資源，然后根據風資源計算結果排布風力機。風資源分布的計算結果越貼近風資源實際分布狀況，越有利于合理地布置風力機。正確的風資源分布計算可以最大限度地利用風能、規(guī)避不良流動區(qū)域保證風力機運行壽命。如今越來越多的風電場建設在復雜地形上，這里的空氣流動狀況非常復雜。這給風電場的風資源計算提出了挑戰(zhàn)，因為傳統(tǒng)的基于線性模型的風資源計算方法不適用復雜地形。相對于線性方法，基于非線性模型的CFD計算方法可以

2、很好地再現流體繞流復雜幾何的流動狀況。而基于該方法的風資源計算方法將更好的捕捉風電場中風資源的實際分布。因此，開展復雜地形風電場的CFD數值模擬研究對合理開發(fā)復雜地形風電場具有非常重要的意義。
　　為了把CFD方法運用到風電場風資源計算和風資源特性分析中去，論文工作首先以平板地形和Askervein山為研究對象，確認了一套適用于復雜地形RANS模擬方法。在該方法的基礎上，提出了一套風資源計算方法。方法中包括復雜風電場地形處理、計算

3、域生成、多風向CFD模擬結果綜合、流場分析等諸多問題。之后針對復雜地形中存在的非定常流動問題，將DES模擬方法運用到復雜地形模擬中去。先以方體繞流問題作為方法的確認，之后對Bolund島進行了模擬，探索復雜地形中的流動特征和DES模擬方法的數值特性。
　　與一般的工業(yè)問題相比，風電場近地面的流動總是充分發(fā)展的湍流邊界層流動。為了把已廣泛應用于工業(yè)問題分析的帶有壁面函數的k-ε湍流模型用于復雜地形地貌風電場大氣流動的數值模擬，首先以

4、平板地形為幾何模型，探索湍流模型、湍流粘性閥值、第一層網格高度、計算域邊界條件類型等對模擬沿流動方向均勻大氣邊界層的影響。然后采用合適的湍流模型參數對Askervein山進行模擬并與實驗測風數據比較，驗證模型參數的合理性。
　　為把上述方法用于復雜地形地貌風電場的風資源評估和微觀選址中去，首先提出一種計算域生成方法。該方法將坐標轉換、差值方法和適當的數據搜索方式相結合，把測繪數據和衛(wèi)星數據組合處理生成按風向的計算域和網格。之后以南

5、澳島風電場作為研究對象，采用不同入口風速對數輪廓對其進行數值模擬，發(fā)現風電場中的風加速與湍流強度基本上不隨來流條件發(fā)生變化。之后在中性大氣條件假設下，以30度風向為間隔，共12個風向，對風電場區(qū)域進行數值模擬。基于以上規(guī)律和多方向計算結果，并結合全年測風數據評估風電場的風資源分布狀況，建立了一套風資源評估的數值模擬及后處理方法，為工程實際提供了有力參考。
　　復雜地形的流場結構極端復雜，有時帶有鮮明的非定常流動特征。為了把帶有壁面

6、函數的DES模擬方法用于復雜地形風電場的數值模擬，先對數據豐富的方體繞流問題進行DES模擬，作為方法的確認。研究了雷諾數ReH=40000時處于完全發(fā)展湍流邊界層中的方體繞流。分析討論了中垂面上物理量和流場以及DES模擬結果的數值特征。DES模擬結果捕捉到了方體前復雜的馬蹄渦系統(tǒng)結構及其演化過程。馬蹄渦系統(tǒng)由發(fā)展渦、主渦、壁角渦以及它們之間的一系列反向旋轉的誘導渦構成。提出了在馬蹄渦系統(tǒng)發(fā)展變化過程中，新發(fā)展渦不是在馬蹄渦系統(tǒng)上游獨自形