基于CFD的風(fēng)電場湍流強度計算研究與應(yīng)用

　　中國風(fēng)電材料設(shè)備網(wǎng)訊：摘　要：湍流強度是風(fēng)電場風(fēng)能資源評估中的重要參數(shù)，也是風(fēng)電機組設(shè)計與選型的主要依據(jù)。本文介紹了多種計算湍流強度的方法，重點闡述了基于CFD 湍流模型的湍流強度計算方法，并利用Meteodyn WT 軟件的CFD 方法對某復(fù)雜地形風(fēng)電場機位湍流強度進行計算，將結(jié)果與線性模型計算結(jié)果、實測數(shù)據(jù)進行對比分析。分析表明該方法模擬結(jié)果較好，對風(fēng)電場風(fēng)資源評估、微觀選址有較好的指導(dǎo)意義。
　　1.引言
　　隨著我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快可再生能源發(fā)展、改善環(huán)境的能源發(fā)展戰(zhàn)略逐步實施，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)在建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會的大環(huán)境下得到長足發(fā)展，風(fēng)電裝機容量正在快速增長。截止2012 年底我國風(fēng)電累計裝機容量為75.32GW，按照全國風(fēng)電可裝機容量1000GW計算，已開發(fā)容量不到可裝機量的10%，風(fēng)電開發(fā)大有前景。但由于我國傳統(tǒng)的風(fēng)資源豐富地區(qū)（“三北”地區(qū)）電網(wǎng)消納原因，存在很多棄風(fēng)限電現(xiàn)象，這些地區(qū)風(fēng)電發(fā)展速度放緩，而中南、西南地區(qū)由于處于電力負荷消納終端，故近年來這些地區(qū)山地風(fēng)電場悄然興起。
　　風(fēng)電項目開發(fā)中，選擇合適的機型和確保機組安全性是影響風(fēng)電場收益的主要因素，其中湍流強度是機組選型和安全性評估的一個很重要的參數(shù)，特別是在地形復(fù)雜的山地風(fēng)電場尤為突出。湍流強度與風(fēng)自身特性、地形、地貌、障礙物等因素息息相關(guān)，而在風(fēng)電場設(shè)計中，機位湍流強度往往是較為忽視的參數(shù)，對后續(xù)風(fēng)電場發(fā)電量收益以及機組安全性產(chǎn)生了隱患。因此湍流強度計算與評估的準確性也是評判建設(shè)風(fēng)電場成敗的關(guān)鍵指標之一。
　　在風(fēng)電場前期風(fēng)能資源評估、風(fēng)電后評估工作中，以前大多借助丹麥RisΦ 國家實驗室開發(fā)的WAsP商業(yè)化軟件，該軟件適用于平坦而簡單的地形，對復(fù)雜地形具有局限性[2]。我國中南、西南部地區(qū)多為地形復(fù)雜的丘陵山地，同等條件下，山地海拔越高，風(fēng)能資源相對越豐富，隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，很多山地風(fēng)電場相繼開發(fā)并投產(chǎn)發(fā)電，對山地風(fēng)電場湍流強度的準確評估成為重要的課題。本文采用基于CFD計算原理的軟件—Meteodyn WT 以及基于線性模型的WAsP 軟件對某復(fù)雜地形風(fēng)電場湍流強度進行仿真計算，并將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，為以后風(fēng)電場進行更合理的機組選型以及校核風(fēng)力發(fā)電機組適用性提供參考。
　　2. 湍流強度與湍流數(shù)值模擬方法
　　湍流流動是自然界和工程中最普遍存在的流體運動，在多數(shù)工程問題中流體的流動往往處于湍流狀態(tài)。大氣運動就是一種典型的湍流流動，湍流流動是一種隨機的過程，可以用數(shù)理統(tǒng)計的方法來研究，簡單來說，大氣運動過程中，湍流就是短時間（一般少于10 分鐘）內(nèi)的風(fēng)速波動，如圖1 所示，U(t)=U+ u’(t)[3]，其中U(t) 為瞬時風(fēng)速，U 為統(tǒng)計時間段平均風(fēng)速值，u’(t) 為湍流脈動風(fēng)速。湍流脈動風(fēng)的統(tǒng)計特性包括湍流強度、湍流尺度、功率譜密度、陣風(fēng)系數(shù)等，其中在風(fēng)電行業(yè)中湍流強度是個非常重要的參數(shù)。

　　湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個：一個是當(dāng)氣流流動時，由于地形差異（例如山峰）造成的與地表的“摩擦”；另一個是由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應(yīng)空氣團垂直運動。湍流將引起風(fēng)電機組的振動和載荷的變化，影響風(fēng)電機組使用壽命和安全運行。