風(fēng)力機(jī)尾流理論模型研究現(xiàn)狀綜述

蘇萬清

(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300387)

在風(fēng)電場(chǎng)中，下游風(fēng)力機(jī)的入流風(fēng)速會(huì)受到上游風(fēng)力機(jī)的影響，從而影響風(fēng)力機(jī)組的合理布置，進(jìn)而影響總發(fā)電量。因此，需對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流進(jìn)行研究。目前利用CFD數(shù)值模擬方法，研究風(fēng)力機(jī)尾流風(fēng)速分布具有較高的精度，但數(shù)值模擬計(jì)算復(fù)雜、周期長(zhǎng)，在實(shí)際工程應(yīng)用中是很難接受的。此時(shí)，利用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的理論尾流模型就顯得尤為重要。

一、風(fēng)力機(jī)尾流理論模型簡(jiǎn)介

風(fēng)經(jīng)過運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)后，湍流強(qiáng)度增大，速度降低，引起大量的能量損失，這被稱為尾流效應(yīng)。風(fēng)力機(jī)尾流理論模型是針對(duì)尾流效應(yīng)利用相關(guān)理論推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)公式，依賴其計(jì)算簡(jiǎn)單、成本低和時(shí)間短等特點(diǎn)，被越來越多的應(yīng)用到風(fēng)力機(jī)尾流風(fēng)速預(yù)測(cè)當(dāng)中。

二、研究現(xiàn)狀

(一)國(guó)外研究現(xiàn)狀

針對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流理論模型的研究，國(guó)外起步較早，相關(guān)學(xué)者提出了一系列關(guān)于風(fēng)力機(jī)尾流分布的假設(shè)，并給出了相應(yīng)的尾流理論模型，為后續(xù)的尾流研究奠定了基礎(chǔ)。

1983年，Jensen[1]率先對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流理論模型展開研究，并基于一維動(dòng)量理論提出用于預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)尾流風(fēng)速的理論模型，Jensen模型假設(shè)尾流為線性擴(kuò)散，尾流半徑隨尾流位置變化，尾流風(fēng)速僅與速度誘導(dǎo)因子和尾流位置有關(guān)，該模型成為風(fēng)資源分布軟件WAsP的主要尾流理論模型。Vermeer等[2]研究了Jensen模型的尾流預(yù)測(cè)精度，由于其速度在徑向上是常數(shù)，從而導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度有所欠缺。Frandsen等[3]針對(duì)海上風(fēng)力機(jī)，基于動(dòng)量理論提出Frandsen尾流理論模型，并給出了尾流擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式和湍流強(qiáng)度計(jì)算模型。González等[4]在Frandsen模型的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的廣義尾流衰減效應(yīng)簡(jiǎn)化了風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速計(jì)算模型，將該模型推廣到處理多風(fēng)力機(jī)的疊加尾流。

(二)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)學(xué)者在國(guó)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究，對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行修正或提出新的理論模型，并應(yīng)用到風(fēng)力機(jī)組排布優(yōu)化中。

曾利華等[5]認(rèn)為風(fēng)力機(jī)尾流擴(kuò)散半徑為非線性變化，并提出非線性尾流模型，與CFD三維模擬結(jié)果對(duì)比的結(jié)果說明非線性模型尾流預(yù)測(cè)更加合理。田琳琳等[6]認(rèn)為風(fēng)力機(jī)尾流風(fēng)速呈拋物線型分布，利用余弦函數(shù)對(duì)Jensen尾流模型進(jìn)行修正，提高了尾流模型的計(jì)算精度，并將其應(yīng)用到多種地形的風(fēng)力機(jī)組排布優(yōu)化中。宋夢(mèng)譞等[7]將尾流的發(fā)展視為風(fēng)力機(jī)葉片產(chǎn)生的多個(gè)虛擬粒字運(yùn)動(dòng)，提出了一種計(jì)算尾流的粒子跟蹤模型，該模型用虛擬粒子的濃度來表示尾流的強(qiáng)度。胡劍簫[8]基于質(zhì)量守恒定律和高斯分布公式，在Jensen模型基礎(chǔ)上提出高斯分布尾流模型，并以此對(duì)經(jīng)典風(fēng)力機(jī)組排布進(jìn)行優(yōu)化，提高了優(yōu)化精度。

三、總結(jié)

本文綜述了國(guó)內(nèi)外針對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流理論模型的主要研究成果，上述研究中給出了大量的尾流模型，并均具有較好的預(yù)測(cè)性能，但目前的研究對(duì)象均未涉及到垂直軸風(fēng)力機(jī)。由于垂直軸風(fēng)力機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中氣體流動(dòng)類似于圓柱繞流，且同一葉片多次切割同一流線，導(dǎo)致其尾流特性與水平軸風(fēng)力機(jī)尾流特性大不相同。因此，針對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的尾流理論模型還需進(jìn)一步研究。