[发明专利]一种二维尾流数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种二维尾流数值模拟方法，其特征在于，包括：步骤一：计算尾流膨胀系数；步骤二：基于步骤一，计算Park模型下的尾流风速；步骤三：修正Park模型下的初始尾流半径；步骤四：基于步骤二和步骤三，计算修正后的 Park模型尾流风速；步骤五：基于步骤四，建立新的尾流模型，将新的尾流模型命名为Park‑ Polynomial模型；步骤六：计算Park‑ Polynomial模型下的尾流风速。本发明可以很好的模拟尾流区的风速，不仅在精度上与试验结果接近一致而且在径向分布上也更加符合真实流场，同时继承了工程模型的形式简单、容易编码、计算高效等优点。

技术领域

本发明涉及一种二维尾流数值模拟方法，具体涉及一种基于Park-Polynomial模型二维尾流数值模拟方法。本发明属于风力发电领域。

背景技术

风力机将风中的动能转变成主轴中的机械能，最后在发电机中再转变成电能。正是由风力机不断的在气流中提取动力学能量，从而使得下游尾流风速、静压降低以及湍流强度变大。上世纪八十年代学者们提出了两个重要的尾流模型，Park模型和涡粘性模型。Park模型形式简单，尾流区扩张和风速亏损与尾流衰减常数相关，尾流区风速在径向呈常数分布，这与真实情况不符合。经试验测量在真实的流场中，在径向尾流风速呈多项式分布或高斯型分布。涡粘性模型是求解一个轴对称形式的N-S方程，因此也被认为是一个简单的RANS模型。Park模型和涡粘性模型，都低估了尾流区的风速亏损。有学者认为可能是因为没有考虑大气边界层对尾流的影响。Brower等人基于考虑地表阻力引起的内部边界层方法提出了DAWM模型，这也是基于求解RANS方程的CFD模型。它的不足是，绝大多数RANS模型是在稳定状态模式下运行的，并没有关于温度完整的预测方程，因此不能根据温度变化调整边界层的结构，从而导致计算结果的不同。Ott等人发展了Fuga模型，它是一个线性RANS模型，把风力机等效成制动盘来模拟尾流。Montavon等人提出了WindModeller模型，采用k-ε湍流模型，制动盘模型模拟风力机。该模型被应用于商业软件CFX。最近LES理论也被用于对单台风力机或多台风力机组尾流研究。LES对真实物体近壁面网格要求非常高，目前主流是用制动盘和制动线理论来等效模拟风力机叶片来对尾流进行研究。LES可以很好对尾流进行数值模拟的同时也付出了很大的计算代价。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种二维尾流数值模拟方法，以解决现有技术不能完全避免尾流计算过程中精度低、形式复杂、编码难、计算低效的技术问题。。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种二维尾流数值模拟方法，其特征在于，包括：

步骤一：计算尾流膨胀系数；

步骤二：基于步骤一，计算Park模型下的尾流风速；

步骤三：修正Park模型下的初始尾流半径；

步骤四：基于步骤二和步骤三，计算修正后的Park模型尾流风速；

步骤五：基于步骤四，建立新的尾流模型，将新的尾流模型命名为Park-Polynomial模型；

步骤六：计算Park-Polynomial模型下的尾流风速。

前述的一种风工程尾流计算方法，其特征在于，在计算尾流膨胀系数过程中涉及到地表粗糙度对尾流的影响。

前述的一种风工程尾流计算方法，其特征在于，k＝0.5/ln(H/z₀)，其中，k为尾流膨胀系数，H为风力机轮毂高度，z₀为地表粗糙度。

前述的一种风工程尾流计算方法，其特征在于，其中，u_*为距离轮盘x处的尾流风速，r₀为初始尾流半径，a为轴向诱导因子。