[发明专利]一种风电场风机尾流动态耦合模拟方法

说明书

本发明属于计算风工程领域，并具体公开了一种风电场风机尾流动态耦合模拟方法，其包括步骤：S1将计算域划分为多个网格单元，进而建立计算域网格模型，同时获取风机相关参数；S2将风机致动盘划分为多个径向等距的圆环，根据风速分别计算各圆环对应的轴向力和切向力，进而将其分配到圆环包含的每个网格单元，得到各网格单元的阻力项，依此建立风速与阻力项的对应关系模型；S3基于计算域网格模型，对风机尾流进行数值模拟，模拟时将阻力项添加到对应的网格单元，并根据变化的风速和对应关系模型动态计算更新阻力项。本发明根据来流风速对应动态添加阻力项，能够耦合计算流场和风机对该流场的扰动效果，真实反应风机的尾流分布情况。

技术领域

本发明属于计算风工程领域，更具体地，涉及一种风电场风机尾流动态耦合模拟方法。

背景技术

在风电场中，风经过风机之后会产生尾流区，也就是一个风速衰减区，这种现象称为尾流效应，这会导致处于风电机组下游的风机的发电功率显著降低。因此，开展风机尾流的研究，对提高风电机组发电功率有着重要意义。随着计算机技术的发展和提高，CFD(Computational Fluid Dynamic，计算流体动力学)的方法广泛用于风机尾流的数值模拟，国内外许多学者的研究大多基于此展开。

早些年的研究中，闫海津等对风力机进行全模型化数值模拟，得到整个流场的速度分布，压力分布和湍流分布等结果。但是，进行全模型建模时，风机叶片贴体网格划分难度大，网格需求量高，计算效率明显降低。近年来，任会来等提出了带旋转的致动盘模型，以致动盘代替风轮圆盘，该方法基于致动盘模型和BEM(Blade Element Momentum Method，叶素动量理论)，根据不同位置处的翼型特点，计算轴向和切向诱导力，然后将诱导力沿着翼展方向微小圆环内做平均，以此获得不同位置处的轴向与切向诱导力。该方法在CFD数值模拟中引入体积力源项，实现风机对风场的扰动效果，如此既可以避免全模型划分网格造成的计算效率降低，又可以同时考虑风机所受轴向和切向诱导力，从而该方法的数值模拟精度具有一定的可靠性。

但是，该方法的局限性在于，在CFD计算流场的迭代过程中，致动盘所在的网格单元添加的体积力源项(即风机阻力项)始终为一定值。而实际上，风机基于BEM理论划分的微小圆环对应体积力的大小与致动盘前的来流风速有关，处于风电机组下游的风机来流风速会受上游风机尾流的影响，在计算迭代过程中不断变化，所以各圆环对应体积力源项也应因此而变化。因而，亟需一种耦合计算该流场和体积力源项的方法，实现二者的联动，修正数值模拟风机对该流场的扰动作用，更加真实的计算风机尾流流场的分布特性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种风电场风机尾流动态耦合模拟方法，其目的在于，基于CFD数值模拟，通过在计算域的指定位置处提取致动盘各圆环所对应的单元网格，然后对应添加阻力项，并根据流场每一步迭代计算得到的各圆环处对应的来流风速，计算并更新对应单元网格的阻力项大小；该方法能够耦合计算计算域的流场和风机对该流场的扰动效果，更加真实的反应风机的尾流分布情况。

为实现上述目的，本发明提供了一种风电场风机尾流动态耦合模拟方法，包括如下步骤：

S1、将计算域划分为多个网格单元，进而建立计算域网格模型，同时获取风机相关参数；

S2、将风机致动盘划分为多个径向等距的圆环，根据风速分别计算各圆环对应的轴向力和切向力，进而将轴向力和切向力对应分配到圆环包含的每个网格单元，得到各网格单元对应的阻力项，并依此建立风速与阻力项的对应关系模型；

S3、基于计算域网格模型，对风机尾流进行数值模拟，模拟时将阻力项添加到对应的网格单元，并根据变化的风速和风速与阻力项的对应关系模型动态计算更新阻力项，完成风机尾流的动态耦合模拟。

作为进一步优选的，轴向力F_n和切向力F_t根据下式计算得到：