基于Fluent的風(fēng)力發(fā)電機和輸電鐵塔尾流仿真模擬

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司大理局 劉世增 中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司 邵太華 張文杰 胡昌盛

隨著風(fēng)力資源的持續(xù)開發(fā)和電網(wǎng)輸電線路的不斷發(fā)展，越來越多輸電線路穿越或鄰近風(fēng)電場區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計規(guī)范僅從風(fēng)機倒塌角度考慮到架空輸電線路保持1.5倍風(fēng)機高度的安全距離，并未從其它方面研究兩者間的相互影響。2016年云南省大理州1條110kV 線路穿越九龍坡風(fēng)電場，穿越風(fēng)電場的線路導(dǎo)線多處出現(xiàn)斷股現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致整基桿塔傾斜，而該線路未穿越風(fēng)電場的區(qū)段未出現(xiàn)導(dǎo)線斷股等現(xiàn)象。究其原因，可能是因為風(fēng)電場建成后風(fēng)場的水平或垂直變化導(dǎo)致[1-3],也可能微風(fēng)震動增大了線路本身抗振壓力導(dǎo)致，又或者風(fēng)場的不規(guī)則變化改變了覆冰程度導(dǎo)致。因此研究風(fēng)力發(fā)電機與輸電線路鐵塔的尾流效應(yīng)可為輸電線路和風(fēng)電場設(shè)計、運行提供參考。

1 計算模型與網(wǎng)格劃分

風(fēng)力發(fā)電機。在SolidWorks 中建立1.5MW風(fēng)力發(fā)電機模型，風(fēng)力機葉輪直徑60m，轉(zhuǎn)速為1.27rad/s。在ANSYS 中導(dǎo)入風(fēng)力機模型并建立尺寸為2700m×800m×500m 的長方體流體域，考慮兩臺風(fēng)機串列的情況進行模擬。將流場計算區(qū)域分為旋轉(zhuǎn)域與外域兩部分，旋轉(zhuǎn)流場的旋轉(zhuǎn)域部分建立成扁圓盤，葉輪位于旋轉(zhuǎn)內(nèi)域中央，由于主要考慮風(fēng)力機下游流場的變化情況，故忽略塔架的影響。根據(jù)上述建好的模型進行網(wǎng)格劃分，采用非均勻的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對旋轉(zhuǎn)域和葉片表面進行局部加密處理（圖1）。

輸電鐵塔。采用貓頭塔，塔高75m。在ANSYS中導(dǎo)入鐵塔模型并建立尺寸為500m×300m×200m的長方體流體域，對建好的模型進行網(wǎng)格劃分，采用非均勻的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對旋轉(zhuǎn)域和葉片表面進行局部加密處理（圖2）。

圖1 風(fēng)力機尾流模擬模型和網(wǎng)格劃分

圖2 鐵塔尾流模擬模型和網(wǎng)格劃分

計算方法和邊界條件。本次模擬采用有限體積法，湍流方程選用k－ε 雙方程模型，擴散項采用中心差分法，對流項采用二階迎風(fēng)格式離散。采用SIMPLE 算法進行壓力和速度的解耦，避免出現(xiàn)不合理的壓力和速度。本次模擬采用的邊界條件如下：入口采用均勻速度，速度大小為15m/s；出口為自由出流，故其出口壓力設(shè)為大氣壓；流場底面設(shè)置為無滑移邊界條件，固體壁面；流場側(cè)面及頂面設(shè)置為自由滑移壁面；由于風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)動時為動態(tài)的，采用滑移網(wǎng)格（mesh motion）模型，風(fēng)力機勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為1.27rad/s，模擬過程中每個時間步長為0.025s。

2 模擬結(jié)果

2.1 風(fēng)力發(fā)電機尾流模擬結(jié)果

查看15m/s 入流風(fēng)速條件下風(fēng)力機輪轂高度水平面、穿過風(fēng)機輪轂中心垂直面的速度云圖可發(fā)現(xiàn)，氣流經(jīng)過風(fēng)機后產(chǎn)生的速度減小的尾跡主要表現(xiàn)為沿軸向發(fā)展，在徑向上速度減小的尾跡區(qū)域主要集中在風(fēng)輪直徑范圍內(nèi)。在軸向上，氣流在經(jīng)過第一臺風(fēng)機時風(fēng)速產(chǎn)生劇烈的變化，隨后風(fēng)速有所恢復(fù)，在遇到第2臺風(fēng)機后風(fēng)速再次減小，隨后隨著遠離風(fēng)機速度開始緩慢恢復(fù)，但速度無法恢復(fù)至穿越風(fēng)機前的大小。在軸向上，流體經(jīng)過第二臺風(fēng)機后速度減小程度明顯大于經(jīng)過第一臺風(fēng)機后的減小值，說明流體中的部分動能通過風(fēng)機轉(zhuǎn)化為電能。

為分析風(fēng)機下游不同位置處風(fēng)速變化的具體數(shù)值，對垂直于風(fēng)輪平面，位于風(fēng)輪圓心（輪轂中心）、風(fēng)輪0.5R（R 為風(fēng)輪半徑、下同）、1.25R 處3條直線上風(fēng)速值進行對比（圖3中分別為藍、紅、綠線），從中可看出：位于葉輪半徑外（1.25R）的直線上風(fēng)速基本保持不變，可見風(fēng)輪轉(zhuǎn)動對位于風(fēng)輪半徑以外區(qū)域影響很??；對位于葉輪半徑內(nèi)的2條直線上的風(fēng)速，流體在穿過風(fēng)輪時趨勢都是速度先急劇減小，然后隨著流體遠離風(fēng)機速度開始回升，速度的回升的速率與距風(fēng)機的距離成反比。

由于輸電線路具有導(dǎo)線輕柔、對風(fēng)荷載敏感的特點，對于穿越風(fēng)電場輸電線線路的線路，需分析風(fēng)電發(fā)電機尾流中湍流強度的變化特征。根據(jù)GB/T18710-2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》，湍流強度在0.1或以下表述湍流較小，湍流強度在0.10～0.25為中等程度的湍流，湍流強度高于0.25表示湍流過大。從風(fēng)機輪轂高度水平面湍流強度的云圖中可看出，流體在穿過風(fēng)輪后，風(fēng)機下游的湍流強度有了明顯的增大，其中湍流強度大于0.25的區(qū)域主要位于風(fēng)機下游400m 范圍內(nèi)。

圖3 風(fēng)力輪轂高度處不同位置處風(fēng)速

圖4 離地50m 高度處不同位置處風(fēng)速

2.2 輸電鐵塔尾流模擬結(jié)果

從離地50m 高水平面的速度云圖可看出，氣流在經(jīng)過鐵塔后速度有所減小，在鐵塔附近減小很明顯，隨著遠離鐵塔，速度有所恢復(fù)。選擇平面上速度變化最劇烈的一條垂直于鐵塔平面的直線來研究速度的變化，從圖4可看出氣流在遇到鐵塔前速度開始減小，穿過鐵塔時速度變幅最大，減小至2m/s，穿過鐵塔后隨著遠離鐵塔速度開始回升，在鐵塔下游100m 處速度已恢復(fù)至13.9m/s，隨后速度恢復(fù)變得緩慢，鐵塔下游400m 處速度恢復(fù)至14.4m/s。

在風(fēng)電場設(shè)計中需要考慮風(fēng)電場區(qū)域湍流強度大小，因此對輸電鐵塔尾流區(qū)湍流強度進行分析。從離地50m 高水平面湍流強度的云圖中可看出，氣流經(jīng)過鐵塔后湍流強度有所增大，在鐵塔下游100m范圍內(nèi)為湍流過大區(qū)，100～200m 范圍內(nèi)為中等湍流區(qū)，200m 以外區(qū)域為較小湍流區(qū)。

3 結(jié)語

本文通過利用fluent 軟件進行數(shù)值模擬來研究風(fēng)力發(fā)電機和輸電鐵塔尾流區(qū)速度和湍流變化特征，主要結(jié)論如下：流體經(jīng)過風(fēng)機后產(chǎn)生的速度減小的尾跡主要表現(xiàn)為沿軸向發(fā)展，在徑向上速度減小的尾跡區(qū)域主要集中在風(fēng)輪直徑范圍內(nèi)。風(fēng)機尾流效應(yīng)會導(dǎo)致沿風(fēng)機軸向下游方的風(fēng)速減小，風(fēng)速減小值最大達入流風(fēng)速的13%，隨著風(fēng)機軸向下游遠離風(fēng)機，風(fēng)速減弱得到一定的恢復(fù)，但風(fēng)速仍小于入流風(fēng)速。流體在穿過風(fēng)輪后風(fēng)機下游的湍流強度有了明顯的增大，其中湍流強度大于0.25的區(qū)域主要位于風(fēng)機下游400m 范圍內(nèi)；數(shù)值模擬研究表明，氣流經(jīng)過輸電鐵塔后，在鐵塔下游會引起風(fēng)速的減小和湍流強度的增大，而湍流強度增大將使得風(fēng)力機發(fā)電量減小。風(fēng)機布置除考慮安全距離外還應(yīng)盡量遠離線路鐵塔，提高輪轂高度，以降低線路鐵塔對風(fēng)機安全性和發(fā)電量的影響。