上游山脉对风力机尾流和功率影响的模拟研究

作     者：张子瑜 黄鹏 曹曙阳 ZHANG Ziyu;HUANG Peng;CAO Shuyang

作者机构：同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室上海200092 西安大略大学土木与环境工程系伦敦N6A 5B9加拿大 

出 版 物：《空气动力学学报》 (Acta Aerodynamica Sinica)

年 卷 期：2024年第42卷第5期

页      面：97-109页

核心收录：

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主　　题：风能 大涡模拟 大气边界层 山脉 风力机尾流 功率性能 

摘      要：更好地了解山地上风力机尾流和功率特性有助于山地风电场的布局设计。本研究采用高精度的大涡模拟(large-eddy simulation, LES)研究了上游山脉对下游山脉顶部风力机的尾流和功率性能的影响。在基于伪谱法的LES框架中,本文分别使用了滤波致动盘模型和浸入边界法模拟风力机和山脉对气流的作用。研究表明,LES结果与实验测量的速度和湍动能吻合很好,对湍动能的预测优于雷诺平均Navier-Stokes(Reynolds average Navier-Stokes, RANS)方法。在山脉风力机尾流的模拟中,研究发现风力机尾迹中心轨迹在山顶下风处向下偏转。与孤立山地相比,双峰型山地的尾流恢复速度更快,其恢复速率随着山脉间距的增加先增加后减少。对于有山脉情况,尽管由于气流的加速效应,高斯分布与尾流速度亏损分布在尾流下边缘存在差异,但高斯曲线仍然适用于近似风力机尾流的速度亏损。此外,因为上游山脉尾迹会扩散且到达下游山脉迎风面时会被抬升,所以当山脉间距达到一定距离时,风轮会完全浸没在上游山脉尾迹中,导致风力机功率性能受到上游山脉的不利影响,随着山脉间距的增加先下降后上升。本研究加深了对山地风力机尾流特性和功率性能的认识,对山区风电场的布局设计具有指导意义。