基于空氣動(dòng)力場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)WT軟件尾流模型的驗(yàn)證

袁紅亮*，胡義

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基于空氣動(dòng)力場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)WT軟件尾流模型的驗(yàn)證

袁紅亮*，胡義

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安，710065）

本文根據(jù)某風(fēng)電場(chǎng)空氣動(dòng)力場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)Meteodyn WT軟件采用的尾流模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，為今后利用WT軟件進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估和發(fā)電量計(jì)算提供相應(yīng)的建議。在WT軟件尾流效應(yīng)的數(shù)值模擬中，軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速誤差僅為6.08%，可知WT軟件在空氣動(dòng)力場(chǎng)的尾流效應(yīng)評(píng)估中具有較高的準(zhǔn)確性。

空氣動(dòng)力場(chǎng)；尾流模型；Meteodyn WT

引言

隨著風(fēng)電行業(yè)的飛速發(fā)展，地形平坦的可開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源急劇減少，復(fù)雜山地已經(jīng)成為了風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的重要部分。在復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估過(guò)程中，基于CFD技術(shù)的Meteodyn WT軟件成為了重要分析工具。在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)流經(jīng)過(guò)上游的風(fēng)機(jī)時(shí)風(fēng)速都會(huì)有一定的衰減，因此會(huì)影響下游風(fēng)機(jī)的輸出功率，這就是所謂的尾流效應(yīng)[1]。在Meteodyn WT軟件進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)前期風(fēng)能資源評(píng)估時(shí)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)評(píng)估的準(zhǔn)確性成為了重要研究課題。

1 Meteodyn WT軟件尾流模型簡(jiǎn)介

Meteodyn WT軟件是法國(guó)美迪公司采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)三維雷諾平均納維—斯托克斯（RANS）方程[2]進(jìn)行完全求解，研發(fā)的一款可適用于復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估的商業(yè)軟件。

Meteodyn WT軟件5.2.1版本中使用的尾流模型是改進(jìn)的PARK模型[3]。模型考慮了風(fēng)機(jī)后部的軸對(duì)稱風(fēng)流，如圖1所示。

其中，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)尾流區(qū)域是以輪轂為中心軸對(duì)稱的錐形，在這個(gè)錐形尾流中的風(fēng)速衰減因數(shù)計(jì)算如下：

如果下風(fēng)向風(fēng)機(jī)葉輪部位位于上風(fēng)向風(fēng)機(jī)尾流區(qū)域內(nèi)，其風(fēng)速衰減與重疊面積成比例：

2 數(shù)值模擬方案

本文所選取的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)例位于陜北地區(qū)，空氣動(dòng)力場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試位于風(fēng)電場(chǎng)14#風(fēng)機(jī)附近。在14#風(fēng)機(jī)南北兩邊各設(shè)立了一座70m高度的測(cè)風(fēng)塔，其中M1測(cè)風(fēng)塔位于距離#14風(fēng)機(jī)135m的北邊平坦地形上，M2測(cè)風(fēng)塔位于距離#14風(fēng)機(jī)205m的南邊懸崖斜坡上。測(cè)風(fēng)塔與風(fēng)機(jī)的相對(duì)位置見(jiàn)圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試測(cè)風(fēng)塔與風(fēng)機(jī)的相對(duì)位置圖

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，對(duì)M1、M2兩座測(cè)風(fēng)塔2015年9月1日至2016年8月31日一整年的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和處理后，M2測(cè)風(fēng)塔70m高度處的風(fēng)圖譜見(jiàn)圖3。由圖3可知，該空氣動(dòng)力場(chǎng)內(nèi)主風(fēng)向?yàn)?80°。

圖3 M2測(cè)風(fēng)塔70m高度的風(fēng)圖譜

在WT軟件尾流模型驗(yàn)證的過(guò)程中，使用M2測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為軟件數(shù)值模擬的輸入數(shù)據(jù)，并且在14#風(fēng)機(jī)點(diǎn)位布置一個(gè)與現(xiàn)實(shí)相同參數(shù)的風(fēng)機(jī)，計(jì)算得到M1測(cè)風(fēng)塔點(diǎn)位70m高度處風(fēng)速的時(shí)間序列文件，并與M1測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行比較，從而分析WT軟件計(jì)算時(shí)所使用尾流模型的準(zhǔn)確程度。WT軟件計(jì)算時(shí)空氣動(dòng)力場(chǎng)高程見(jiàn)圖4。

圖4 WT軟件數(shù)值模擬時(shí)空氣動(dòng)力場(chǎng)高程

3 模擬結(jié)果分析

為了分析WT軟件尾流模型的準(zhǔn)確性，比較風(fēng)向?yàn)?80±5°時(shí)計(jì)算得到的風(fēng)速與同一時(shí)間下M1測(cè)風(fēng)塔70m高度的實(shí)測(cè)風(fēng)速。

采用Bin方法[4]，將M2測(cè)風(fēng)塔入流風(fēng)速區(qū)間分割為多個(gè)1m/s大小的獨(dú)立區(qū)間，例如[2.5m/s，3.5m/s]。對(duì)每個(gè)獨(dú)立區(qū)間的風(fēng)速進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，比較同一時(shí)間序列內(nèi)M1測(cè)風(fēng)塔的軟件計(jì)算得到的風(fēng)速和實(shí)際測(cè)量風(fēng)速。圖5即為不同風(fēng)速區(qū)間下M1測(cè)風(fēng)塔70m高度處軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)際測(cè)量風(fēng)速的對(duì)比。

由圖5可知，風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速3m/s時(shí)，此時(shí)風(fēng)機(jī)尾流幾乎為零。隨著來(lái)流風(fēng)速的增大，受風(fēng)機(jī)尾流影響風(fēng)速衰減先增大后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)來(lái)流風(fēng)速小于10m/s時(shí)，WT軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)際測(cè)量風(fēng)速誤差較大；風(fēng)速在[10m/s，15m/s]區(qū)間時(shí)，WT軟件尾流計(jì)算與實(shí)際值最接近；當(dāng)風(fēng)速大于15m/s時(shí)，由于此時(shí)來(lái)流風(fēng)向滿足180±5°的數(shù)據(jù)量不足，所以軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速誤差較大。

圖5 不同風(fēng)速區(qū)間下軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)際測(cè)量風(fēng)速對(duì)比

為了量化WT軟件計(jì)算時(shí)尾流模型的準(zhǔn)確性，對(duì)圖5中不同來(lái)流風(fēng)速區(qū)間內(nèi)M1塔70m高度軟件計(jì)算的風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行誤差計(jì)算。不同來(lái)流風(fēng)速下WT軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速的誤差表見(jiàn)表1。

表1 不同來(lái)流風(fēng)速下WT軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速的誤差表

由表1可知，來(lái)流風(fēng)速為3m/s時(shí)，WT軟件中所使用的尾流模型計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)測(cè)偏差最大，原因是風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中在風(fēng)速小于3m/s時(shí)就已開(kāi)始發(fā)生葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。來(lái)流風(fēng)速小于7m/s時(shí)，軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)測(cè)值偏差較大；風(fēng)速大于7m/s時(shí)，軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)測(cè)值偏差較小。綜合所有風(fēng)速區(qū)間，WT軟件在尾流模擬中平均誤差為6.08%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)空氣動(dòng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)Meteodyn WT軟件的尾流模型的準(zhǔn)確程度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)論如下：

（1）在所有來(lái)流風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，WT軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速誤差僅為6.08%。說(shuō)明WT軟件在空氣動(dòng)力場(chǎng)的尾流效應(yīng)評(píng)估中具有較高的準(zhǔn)確性。

（2）受風(fēng)機(jī)尾流影響，風(fēng)速折減率隨著來(lái)流風(fēng)速的增大先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。

（3）當(dāng)來(lái)流風(fēng)速大于7m/s時(shí)，WT軟件的數(shù)值模擬對(duì)尾流評(píng)估的準(zhǔn)確性較高，來(lái)流風(fēng)速低于7m/s時(shí)，對(duì)尾流評(píng)估的準(zhǔn)確程度偏低。

[1] 許昌, 鐘淋娟. 風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2014.

[2] 方艷瑩, 徐海明, 朱蓉. 基于WRF與CFD軟件結(jié)合的風(fēng)能資源數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究[D]. 2012.

[3] Meteodyn WT使用幫助與在線文檔.

[4] 盧勝, 吳莎. 基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)估方法[J]. 電子測(cè)試, 2016, (01): 41-43.

Verification of WT Software Wake Model Based on Aerodynamic Field Test Data

YUAN Hongliang*, HU Yi

(Power China Northwest Engineering Corporation Limited, Shaanxi Xi'an 710065, China）

In this paper, the accuracy of the wake model used in Meteodyn WT are validated based on the aerodynamic field test data of a wind farm, and the corresponding suggestions about using WT software for wind resource assessment and power generation calculation are proposed in the future. In the numerical simulation of wake effect by WT software, the error value between calculated wind speed by WT software and the measured wind speed is only 6.08%. It can be seen that WT software has high accuracy in the wake effect evaluation of the aerodynamic field.

aerodynamic field; wake model; Meteodyn WT

袁紅亮, 胡義. 基于空氣動(dòng)力場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)WT軟件尾流模型的驗(yàn)證[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(5): 24-25.

YUAN Hongliang, HU Yi. Verification of WT Software Wake Model Based on Aerodynamic Field Test Data[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 24-25.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.009

TK221

A

1672-9129(2017)05-0024-02

2017-01-13；

2017-03-02。

袁紅亮（1985-），男，陜西西安，工程師，研究方向：風(fēng)能資源評(píng)價(jià)。E-mail:2209282216@qq.com