风力机与风电场尾流流动特征

知识点：风电机组尾流

风力机是将自然界风能转化为电能的核心设备，来流作用在风力机上，带动风机叶片旋转，此时叶片对空气的作用导致风机下游的风速减小、湍流度增大、风剪切加剧等流动特征，而空气在下游传播一段时间后，在尾迹区外围流体的作用下，风速逐渐恢复，这种现象被称为风机的 尾流效应 。风速减小使得下游的风机输出功率降低，并且强湍流和风剪切的作用会影响下游风机的疲劳载荷、结构性能。瑞典航空研究所( the Aeronautical Research Institue of Sweden ,   FFA) 的测量结果表明 ^[1] ，当风速为12m/s情况下，两台风力机串列相距5倍叶轮直径时，处于尾流区内的风力机功率输出仅为无干扰时的60%左右，相距9.5倍叶轮直径时，约为80%。图1是一个风电场的流动情况，从图中可以看到上游风力机对下游机组的严重影响。对于大型风电场来说，一般都有数十上百台风机，而多台风机的相互干扰下，尾流效应的影响会更大。

 

图1   风电场尾流影响

如图2所示，水平轴风力机的尾流可以分为近尾迹区和远尾迹区。近尾迹区从风机叶轮开始到下游约3倍叶轮直径的区域，在该区域中流动的主要特征由来流条件以及叶轮的几何外形来决定。由于近尾迹区内的流动速度与区域外的流动速度存在差别，因此在交界区域会形成剪切层。在剪切层内，在各种尺度的湍流涡发展和混合作用下，一方面促使尾迹区内的速度与外部区域混合，另一方面使得剪切层不断膨胀，尾流区域增加。随着边界处的剪切层不断膨胀，在转盘中心线上混合时，近尾迹区结束。

图2 风机尾流结构^[2]

随着尾流向下游发展，由于湍流的耗散作用，涡结构逐渐破裂，速度亏损获得一定的恢复，流动进入远尾迹区。在远尾迹区风机几何外形的重要性降低，流动主要受湍流的作用。影响远尾迹区的湍流主要来源于三个方面：1）大气湍流，如地表粗糙度，地面热效应等；2）结构尾流，如叶片和塔架对流体作用产生的湍流；3）叶尖涡和轮毂涡破裂导致的湍流。这些湍流会对下游风机的结构强度产生一定的负面影响，但是有利于尾迹区内外动量的交换，使得上游风机导致的速度亏损能够快速恢复。远尾迹区近似对称，并且具有自相似性。在远尾迹区流动进入了完全发展的阶段，此时基于理想状态下可以认为尾迹区横截面上的速度径向分布和湍流强度分布近似呈高斯分布或多项式分布。

尾流解析模型是基于一定的实验基础和仿真经验，通过数学模型的形式来描述尾流发展的情况。尾流解析模型相对简单，常见于风场发电量评估和布局优化等工程应用。但这些尾流模型有很大的局限性，通常都是针对无偏航、定常来流等较为简单的工况。由于尾流解析模型结构简单，因此大量学者基于这些模型进行修正和优化，以期获得更加可靠的尾流模型。

风电机组之间的影响一般是指上游风机的尾流效应对下游风机产生的影响。风电场中包含的风电机组不止一台，一个大型的风电场可包含上百台风电机组，对于这种大型风电场，由尾流效应造成的损失可能达到总出力的10~20%。^[5]图3的Horns Rev风电场是世界上第一个大型海上风电场，布置有80台风力机组，呈8×10的矩形分布，图中明显体现了海上风电场显著的尾流效应。该风电场具有大量的测风数据，近年来成为尾流效应和发电量评估研究中最常用的研究对象之一。^[3]

 图3 Horns Rev风电场^[4]

针对尾流影响的情况可以分为完全遮挡、准完全遮挡、部分遮挡和没有遮挡。 ^[5] 如果下游风电机组全位于上游风机的尾流中，就称为完全遮挡，否则就是部分遮挡或不遮挡。相比之下，部分遮挡流动更加复杂，且随着间距减小，上游风机的干扰更强。如图4所示，目前针对完全遮挡的研究主要探究上游风机尾流对下游风机入流条件的影响 ^[6] ，部分遮挡多针对全风场数值模拟或风场布局优化 ^[7][8] 。

(a)

(b)

   图 4  尾流遮挡示意图：a ) 完全遮挡；b ) 部分遮挡

 目前还缺乏针对尾流交汇区流场的准确模拟模型，这已经严重制约了风电场流场计算技术的发展，成为了风电场设计和运行技术的瓶颈。因此，研究尾流遮挡模型，实现交汇区域界定和仿真，探寻交汇区风速和湍流强度分布规律，发展准确尾流仿真模型对提高风电机组效率、优化风电场布局、研究风机疲劳载荷具有重要的意义。 

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