風力機尾流計算方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及風力機尾流計算方法，具體涉及兩種改進k-?SST模型的風力機尾流 計算方法，本發明屬于風力發電領域。
【背景技術】
[0002] 風力機尾流效應的研宄對于風電場機組布局有著重要的指導意義，近年來引起專 家學者們的密切關注。對于風力機尾流的數值研宄，一般來說，計算精度主要依賴于兩部 分：一是對風輪本身的模擬，也就是說采用合適的模型模擬風力機的存在及其對周圍大氣 產生的影響；二是對大氣邊界層的模擬，它是指選取適當的湍流模型預測風場內大氣湍流 的流動狀況。
[0003] 對于風輪的模擬，目前的方法主要有兩大類：直接數值模擬方法和致動系列方法。 前者是指圍繞真實葉片外形生成計算網格，然后采用流動方程，以直接捕捉葉片繞流的方 式進行數值模擬。為了精細地體現葉片的幾何外形，該方法一般需要大量的計算網格。當 應用于多臺風力機的研宄時，所需的計算資源變得更加龐大。后者是指將風輪等效為盤、線 或者面等簡單幾何體，風輪對大氣的作用由簡化幾何體施加到流體中。在計算網格方面，由 于風輪被簡化，大大降低了網格生成復雜度和網格數量；在流動方程方面，該方法將風輪對 大氣的影響轉化為一項徹體力源項添加到流動方程的右側。
[0004] 關于大氣邊界層的模擬，主要是指對大氣湍流的模擬。雖然LES模型能夠很好地 預測湍流的非定常非線性等特征，但受制于計算資源，其工程應用于性大打折扣。而對計算 條件要求不高的雷諾平均方程（RANS)加湍流模型的方法得到了工程界的普遍認可和廣泛 使用。盡管RANS方法有著諸多不可比擬的優勢，但在解決某些復雜流動問題時存在一些不 足。于是，學者們根據各湍流模型的特點和所研宄的問題，對現有經典湍流模型進行修正。 國內方面，李新亮等通過對比分析幾種湍流模型在模擬平板邊界層流動時出現的問題，提 出了修正BL模型。劉景源針對高超聲速流動特點，對剪應力輸運（SST)模型的封閉常系數 進行了調整。
[0005] 同樣地，當使用RANS模型研宄風力機尾流時也存在一些問題，如低估尾流速度的 虧損，延遲尾流的恢復以及縮小尾流半徑等。對此，學者們提出了各種修正模型用于提高風 力機尾流的模擬精度。國際上，Kasmin和Masson建議在k-e模型的e方程中添加一個 表示從大尺度渦到小尺度渦能量傳遞關系的源項。2011年有學者對比驗證了三種修正湍流 模型，包括簡單的基于湍流各項同性假設的模型和較復雜的基于各項異性假設的雷諾剪應 力（RSM)模型。同年，Prospathopoulos等學者以多臺風力機的尾流流場為算例，對提出的 三種修正模型進行了評估校核。2013年，Laan等提出的修正方法是，在湍流粘性系數的表 達式中增加一個非線性項，用來體現湍流的各項異性特征。在國內，就風力機尾流而言，有 關湍流模型的修正研宄尚處于起步階段，直接相關的文獻不是很多。為了準確地捕捉風力 機翼型尾部的流動分離特性，陸利蓬等學者對SA模型提出了修正，該修正方法可擴展應用 于風力機氣動性能和近尾跡區的數值研宄中。通過相關算例的驗證，結果表明這些修正模 型都取得了一定的改進效果。Spalart等人指出，雙方程模型（如k-?，k_e模型）在模擬 自由流場時會引起湍動能衰減現象。為了消除此非物理性衰減，保證整個自由流場的湍流 參數值與入口邊界設定的初值一致，Spalart等人提出了改進SST-sust模型。當將此模型 引入到風力機尾流的研宄時發現，預測到的尾流流場與實驗結果仍有一定差距。

【發明內容】

[0006] 為解決現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種風力機尾流計算方法，以解 決現有技術中預測尾流風速準確度不高的技術問題。
[0007] 為了實現上述目標，本發明采用如下的技術方案：
[0008] 風力機尾流計算方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0009] 步驟一：對入口邊界的端流原始變量進行初始賦值；
[0010] 步驟二：選用制動盤模型模擬風輪對周圍大氣流動產生的影響，得到不可壓N-S 方程；
[0011] 步驟三：得到SST-sust模型，對SST-sust模型進行修正，得到風力機尾流；
[0012] 步驟四：結合步驟一、步驟三，求解不可壓N-S方程。
[0013] 前述的風力機尾流計算方法，其特征在于，所述湍流原始變量包括湍流強度k和 比耗散率《。
【主權項】
1. 風力機尾流計算方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一：對入口邊界的端流原始變量進行初始賦值； 步驟二：選用制動盤模型模擬風輪對周圍大氣流動產生的影響，得到不可壓N-S方程； 步驟S ;得到SST-sust模型，對SST-sust模型進行修正； 步驟四：結合步驟一、步驟S，求解不可壓N-S方程，得到風力機尾流。
2. 根據權利要求1所述的風力機尾流計算方法，其特征在于，所述端流原始變量包括 端流強度k和比耗散率
3. 根據權利要求2所述的風力機尾流計算方法，其特征在于，= w= I，其中U。為來流平均速度，I。為大氣端流強度，y為分子動力粘性系數，yt/y 為禍粘性比。
4. 根據權利要求2所述的風力機尾流計算方法，其特征在于，yt/y= 300。
5.根據權利要求3所述的風力機尾流計算方法，其特征在于，所述不可壓N-S方程為：
其中，C為截面弦長，C,為翼型的氣動升力系數，Cd為翼 型的氣動阻力系數。
6.根據權利要求5所述的風力機尾流計算方法，其特征在于，所述SST-sust模型如 下： 其中，Xj為坐標方向，UJ坐標方向 J i
上的速度，P端流生成項，Dk為端流擴散項，k"b為研究對象周圍的的端動能，《 "b為研究對 象周圍的比耗散率，為封閉常數。
7.根據權利要求6所述的風力機尾流計算方法，其特征在于，對SST-sust模型進行修 正如下：在SST-sust模型中修正封閉參數0*= 0.033 1= 0. 025 ;丫1= 0. 3706,其中， 01、丫 1為封閉常數。
8.根據權利要求7所述的風力機尾流計算方法，其特征在于，對SST-sust模型進行修 正如下：

【專利摘要】本發明公開了一種風力機尾流計算方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟一：對入口邊界的湍流原始變量進行初始賦值；步驟二：選用制動盤模型模擬風輪對周圍大氣流動產生的影響，得到不可壓N-S方程步驟三：得到SST-sust模型，對SST-sust模型進行修正；本發明的SST-Csust模型能夠較好的預測尾流風速準確度，計算得到的湍流強度與實驗數據最為接近。SST-Dsust模型，對于風速的預估，在近尾流區與SST-Csust模型相當，在遠尾跡區效果更好，與試驗結果更加吻合。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104794293
【申請號】CN201510203364
【發明人】楊祥生, 趙寧, 田琳琳
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月24日