基于滑移网格的风力发电机组udf动态来流模型研究

基于滑移网格的风力发电机组udf动态来流模型研究

风能发电装置旨在将风能转化为能的电能设备。良好的风条件是风扇的正常运行的先决条件。然而，由于风的自然环境，尤其是台风等风暴，风速分布表现出强烈的脉冲动脉特征，对风速的运行和安全有威胁。沿海及海上风力发电机组在正常运行时会遇到台风，尤其是在我国东南沿海地区，每年都会受到台风侵袭1塔束流动态轨迹效应模型1.1水平风与地面的距离风切变是指风矢量在空中水平和垂直距离上的变化，按风向可分为水平风的水平切变、水平风的垂直切变、垂直风的切变式中y为纵坐标，表示与地面距离；y1.2湍流等正常值变化的风速分布式风电机组在台风等极端条件下会产生极限风载荷，在极端风况下，往往会产生湍流等剧烈变化的风速分布式中α=0.2；β=4.8;T=12s；湍流长度尺度Λ=21m；风力机组风轮直径D=126m；风速垂直分量标准差σ=2.1m/s。1.3在极端条件下，风速风速分布模型根据风力发电机组设计技术规程式中T=10.5s;V1.4基于定向速度分量的风压重复周期为一年的极端风向瞬间变化θ（t）为式中θ根据风向角度不同，对风速取定向速度分量，以此间接反映风向角度变化，解决Fluent软件中无法直接显示角度变化的问题，求取速度分量的示意图如图1所示。1.5大型风机市场上，大型风机市场塔影效应是指由于塔架对气流的阻挡作用，导致塔架后面气流风速降低的现象，进而影响风机叶片附近的空气动力场，这在大型风机上更为明显，这是由于大型风机结构尺寸更大式中V2数值模型和计算2.1风力发电机风轮转速选取用于建模的风力机为NRELⅤ5MW风力发电机，该风机额定转速为12.1rpm，风轮直径为126m。所建立整机模型如图2所示。2.2旋转时间选取根据风机的运行特征，将所研究的流场区域分为旋转区域和静止区域两种，旋转区域包括叶轮及轮毂等发生旋转运动的部分，除上述两部分外的计算流场为静止区域2.3udf接口及边界条件基于风机运行特征所创建的仿真模型为流固耦合模型，采用FLUENT软件对所建立的模型进行数值仿真分析，由于风机尾流的影响，导致下游流域内流场发生变化，会产生非稳态自由剪切流风场分布是本文研究的侧重点，为更好分析风速分布特征与叶片尾迹关系，采用UDF接口描述风速模型，UDF接口可以通过C语言进行编译，属于Fluent软件中用户自定义程序二次开发接口，可被Fluent直接识别，UDF编译后将风速分布赋值至模型速度入口。此外，根据风机实际运行状态对所建立的模型进行边界条件设置，出口处边界条件采用自由出流outflow，远场流场区域设为静止wall，旋转区域为interface，旋转域流场为动态区域，其内部网格类型设置为MovingMesh，同时设置此部分具有所选定风力机的相同额定旋转速度，值为ω=12.1rpm。叶片和轮毂设为Wall，同时认为壁面无滑移，各类固体边界设置为静止wall。3模拟结果与分析3.1仿真结果与分析根据需要，在仿真区域中设置监测点于轮毂高度处，记录仿真结果中风速随时间变化特征，以及极端垂直风切变、极端阵风和风向变化随时间变化特征，上述特征的仿真计算结果与理论值的对比曲线如图4所示。由图4的结果中看到，各风况下的风速随时间变化的仿真值与理论值基本相符，采用UDF能够有效地对动态来流进行仿真，满足工程需求。3.2风电场稳定性分析不同动态来流扭矩变化与均匀来流和设计值比较图如图5所示。由图5可知，各风况下动态来流的扭矩值较设计值偏小，误差产生原因为限于计算能力，部分网格粗略划分并使用滑移网格计算。风机输出功率可由风机扭矩与对应转速计算而得，随时间变化功率呈波动特性，与UDF函数模型相符。正常垂直风切变工况与均匀来流相近。而在极端垂直风切变、极端运行阵风以及极端风向变化情况下，风机扭矩存在较大波动，其中极端风向变化导致的波动频率较高，且最高功率超过5.5MW，超过风机额定功率，存在疲劳荷载破坏的可能性，威胁风机结构稳定性和运行安全。针对上述情况，应根据风力机组结构设计方案，进行风电场合理选址并仔细分析当地极端风况，进行针对性保护和优化。针对动态来流对风力机尾迹区内的风速分布进行了研究，选取下游同一位置处进行仿真分析，得到速度梯度及面流线的分布情况，如图6所示。在X=D处，存在不同风速分布及风速分层，进一步对UDF的正确性进行了验证，且下游风速更加复杂。同时，通过仿真得到不同风况下风力机下游同一位置处风速及强度分布，其风速梯度和湍流强度如图7所示。据图7可知，正常垂直风切变和极端运行阵风的速度梯度略低于均匀来流，此三种风况下风速尾迹分布相近，极端垂直风切变条件下风速数值最小，风机下游尾迹流动呈漩涡状态，均匀来流的尾迹分布特征为以轮毂高度为中心的扩散状漩涡，由图6(a）所示。动态来流导致风机尾迹出现较大变化，三种极端运行阵风工况下尾迹结果变化特性相近，涡核基本处于轮毂高度附近，但是涡旋的尺寸出现变化，由图6(b）至由图6(d）所示。横向比较来看，风机叶轮根部漩涡形状较为规则，而在叶片尖端处则为不规则漩涡。极端风向变化条件下风机下游尾迹机构呈不规则变化特性，由图6(e）所示。3.3动态来流对风机功率的影响根据所选用的NREL5MW风机的结构与运行数据，对塔影效应对风力机尾迹的影响进行了研究。选定风机叶片数目为3片，额定转速为12.1rmp/s，可计算得到旋转周期值为5.04s，叶片旋转周期为1.68s，叶片旋转至塔架正前方的周期与风机输出扭矩波动周期一致，设定时间参数t=18.48s，该时刻不同动态来流条件下塔架存在状况对风机输出功率变化的影响如表1所示。如表1所示，计算结果表明，塔架产生的塔影效应会导致风机输出功率下降，即塔影效应对风机运行功率会造成影响。同时，叶片旋转过程中，塔架表面升力因叶片旋转位置不同而产生变化，塔架表面升力随时间的变化曲线如图8所示。由图8可知，塔架表面升力随时间呈周期性变化，变化周期与叶片旋转周期相同，当塔架位于片叶片尾迹区时，塔架表面升力骤降，塔架表面升力突变，这样的长时间周期性升力变化会导致塔架产生严重疲劳破坏。对t=18.48s时刻不同高度处风机叶片与塔架的相互影响进行研究，结果如图9所示。该时刻叶片位于塔架正前方，模型考虑到风机叶轮的旋转，入流风速应为相对风速，这与风机实际运行情况相符。仿真结果表明在不同高度处尾迹区内速度梯度的分布具有相似特征，根据风场分布特征发现风机叶片与塔架之间存在互扰干涉，且塔架背后的涡流可能影响风机下游尾迹。4风机功率输出特性针对风力发电机组运行条件，使用Fluent中UDF模块建立了正常风况和极端风况下动态来流模拟，对动态来流以及塔影效应对风机下游尾迹