中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 ■ 溫文 鄧勝祥

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國能源需求量逐年遞增，大量的化石能源投入工業(yè)生產(chǎn)，使得環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，因此，發(fā)展清潔能源、提高空氣質(zhì)量是一件非常有必要的事情。風(fēng)能是可再生的清潔能源，且我國風(fēng)能資源非常豐富，發(fā)展前景相當(dāng)可觀。通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行深入研究，將可以同時(shí)應(yīng)對(duì)能源緊張和污染嚴(yán)重的問題。

目前，國內(nèi)外對(duì)于風(fēng)力機(jī)尾流的研究主要分為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。1)實(shí)驗(yàn)方面：Sturge等[1]將致動(dòng)盤理論的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與不同湍流模型下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；Espa?a等[2]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了尾流的不穩(wěn)定特性，著重說明了實(shí)驗(yàn)過程中條件參數(shù)的選取對(duì)結(jié)果有很大影響；楊瑞[3]利用PIV測試技術(shù)，得到了風(fēng)力機(jī)在不同工況下的流場的速度分布情況，以及尾流渦從產(chǎn)生到破裂的全過程。2)數(shù)值模擬方面：Miao等[4]選用全轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行了非定常CFD仿真，研究了風(fēng)力機(jī)上游尾流軌跡偏斜對(duì)尾流軌跡和下游風(fēng)力機(jī)的偏航尾跡的影響；Kimura等[5]使用數(shù)值模擬方法研究了風(fēng)力機(jī)在大氣邊界層中的尾流，并通過研究結(jié)果有效地分析了風(fēng)力機(jī)尾流的結(jié)構(gòu)和特性；張立茹等[6]采用大渦模擬方法對(duì)小型風(fēng)輪的尾渦特性進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)仿真研究。

本文利用FLUENT軟件對(duì)單臺(tái)MW級(jí)風(fēng)輪的流場分布特性及輸出功率特性進(jìn)行了三維仿真研究；并以此為基礎(chǔ)，研究了兩風(fēng)輪在不同串列布置間距下的輸出功率、流場分布及氣動(dòng)性能的相互影響情況，揭示了尾流的相互作用機(jī)理，可為風(fēng)電場合理布局提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 控制方程

本文模擬過程基于穩(wěn)態(tài)不可壓縮三維定常雷諾時(shí)均N-S方程，湍流模型選擇SSTk-ω模型，求解器選擇Segregated隱式三維穩(wěn)態(tài)算法、壓力-速度耦合選擇SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)差分格式選擇二階迎風(fēng)格式[7-8]。

控制方程為：

式中，ρ為流體密度；φ為通用變量；t為時(shí)間；u為速度矢量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。

1.2 建立幾何模型

以我國中部某地實(shí)測的風(fēng)資源數(shù)據(jù)來確定風(fēng)力機(jī)參數(shù)，建立三維風(fēng)輪模型，具體如表1所示。

表1 風(fēng)力機(jī)參數(shù)

1.3 計(jì)算域建模及網(wǎng)格劃分

以文獻(xiàn)[9]提出的“兩風(fēng)力機(jī)之間的最小間距應(yīng)為5D”作為本文研究的基礎(chǔ)，對(duì)兩風(fēng)輪之間的間距依次增加5D、10D作為對(duì)比參考；單風(fēng)輪模擬結(jié)果主要用來作為對(duì)照；為保證尾流自由發(fā)展，下游尾流長度選取20D。其中，D表示風(fēng)輪直徑的大小。風(fēng)輪布置示意圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)輪布置示意圖

本文在計(jì)算域網(wǎng)格劃分過程中，選用ICEM軟件，利用分“塊”原理，將整個(gè)模型的計(jì)算域分成兩個(gè)部分。其中，一部分是外部流場域，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；另一部分是內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域，流場變化較快，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。圖2為網(wǎng)格劃分示意圖。所有模擬過程均采用相同的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格，以保證對(duì)比結(jié)果的可靠性；從160萬網(wǎng)格開始，每次增加15萬～20萬網(wǎng)格，直至風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩不再有明顯變化；最終內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格數(shù)為250萬。

圖2 流場建模及網(wǎng)格劃分

2 輸出功率分析

在CFD軟件中完成模擬計(jì)算后，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果求出風(fēng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，從而可以參照文獻(xiàn)[10]給出的公式計(jì)算出風(fēng)輪的輸出功率。具體為：

式中，P為輸出功率，W；M為輸轉(zhuǎn)矩，N·m；Ω為葉片轉(zhuǎn)速，r/min-1；n為葉片數(shù)；λ為相對(duì)誤差；P0為額定功率，P0=2 MW。

模擬求解出上、下游風(fēng)輪的輸出功率后，采用式(4)計(jì)算得到下游風(fēng)輪與上游風(fēng)輪功率的比值大小，從而可分析出串列布置條件下兩風(fēng)輪之間不同間距對(duì)風(fēng)輪的影響。

式中，η為功率比；Ps為上游風(fēng)輪輸出功率，W；Px為下游風(fēng)輪輸出功率，W。

由式(2)～式(4)可求得不同工況下風(fēng)輪的輸出功率，具體如表2所示。單風(fēng)輪的相對(duì)誤差為3.5%，這是受到風(fēng)輪設(shè)計(jì)過程中建模方法未考慮輪轂損失和葉片截面約束，以及CFD仿真過程中計(jì)算條件等無法克服的外界因素的影響，但誤差在要求范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

由表2可知，隨著風(fēng)輪間距的增加，功率比逐漸增大，功率損失逐漸減小，上游風(fēng)輪的尾流對(duì)下游風(fēng)輪產(chǎn)生的擾動(dòng)作用在逐漸減弱。但是風(fēng)輪間距從10D變成15D時(shí)，其功率比的增長幅度較從5D變成10D時(shí)有明顯的降低。因此，從節(jié)約土地資源和提高整體效率的角度綜合考慮，每30D的水平間距范圍內(nèi)，采用風(fēng)輪間距為10D的布置方式可比風(fēng)輪間距為15D的布置方式多布置1臺(tái)風(fēng)力機(jī)。

3 云圖分析

圖3為兩風(fēng)輪在不同串列布置間距下的速度云圖，布置間距分別為5D、10D和15D。

圖3 不同串列布置間距下的速度云圖對(duì)比

從圖3a可看出，與風(fēng)輪間距為10D時(shí)相比，下游風(fēng)輪的位置更靠近上游風(fēng)輪，此位置處尾流速度還未從上游風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響中恢復(fù)過來，屬于尾流速度較低的強(qiáng)尾流區(qū)，下游風(fēng)輪的最小入口風(fēng)速僅為6.5 m/s，因此下游風(fēng)輪的輸出功率損失非常嚴(yán)重。

由圖3b可知，在下游風(fēng)輪前60 m附近處，由于上游來流風(fēng)驅(qū)動(dòng)下游風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)之后的風(fēng)輪對(duì)上游風(fēng)輪的尾流產(chǎn)生了擾動(dòng)，氣流出現(xiàn)較大波動(dòng)，使上游風(fēng)輪的尾流瞬間聚攏，說明下游風(fēng)輪對(duì)來流具有收斂作用。下游風(fēng)輪的尾流恢復(fù)速率慢于上游風(fēng)輪的恢復(fù)速率，在下游風(fēng)輪后方10D的位置處，尾流的最小速度才恢復(fù)到7.8 m/s，且低速區(qū)域(v≤3.4 m/s)的影響長度達(dá)到200 m左右。下游風(fēng)輪的尾流場受上、下游風(fēng)輪湍流疊加作用的影響，向外膨脹，并略微向上偏移。

從圖3c可看出，雖然下游風(fēng)輪的位置向正后方偏移了460 m，但尾流變化速度很緩慢，尾流最小入口風(fēng)速只提高了0.8 m/s，且輸出功率只有少量增長。從對(duì)比結(jié)果可看出，隨著風(fēng)輪間距的增加，下游風(fēng)輪受上游風(fēng)輪尾流的影響逐漸減弱，下游風(fēng)輪風(fēng)速逐漸增大，并向著來流風(fēng)速值靠近；但是風(fēng)輪間距為10D時(shí)，下游風(fēng)輪已基本擺脫了上游風(fēng)輪的強(qiáng)尾流區(qū)，此后尾流速度變化緩慢。因此，在風(fēng)電場布局中，繼續(xù)增大兩風(fēng)輪之間的間距將不能取得很好的效果，反而浪費(fèi)土地資源。

4 結(jié)論

1)選用FLUENT軟件對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行尾流模擬，可以清楚看到上、下游風(fēng)輪流場的分布情況，可為風(fēng)電場選址提供參考依據(jù)。

2)兩風(fēng)輪串列布置時(shí)，雖然隨著風(fēng)輪間距的增加，上游風(fēng)輪的尾流對(duì)下游風(fēng)輪產(chǎn)生的擾動(dòng)作用逐漸減弱；但超過一定距離后，下游風(fēng)輪會(huì)基本擺脫上游風(fēng)輪的強(qiáng)尾流區(qū)，此后尾流速度變化緩慢，繼續(xù)增加風(fēng)輪間距反而浪費(fèi)土地資源。因此，在風(fēng)電場布局中應(yīng)選擇合理的風(fēng)力機(jī)間距。

3)雖然串列布置時(shí)功率損失較大，但可充分利用土地資源，在同一風(fēng)電場中，串列布置時(shí)的總體輸出功率將大于僅采用錯(cuò)列布置時(shí)的情況。