袁紅亮*，胡義

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基于空氣動力場測試數(shù)據(jù)對WT軟件尾流模型的驗證

袁紅亮*，胡義

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安，710065）

本文根據(jù)某風(fēng)電場空氣動力場測試數(shù)據(jù)對Meteodyn WT軟件采用的尾流模型的準確性進行驗證，為今后利用WT軟件進行風(fēng)資源評估和發(fā)電量計算提供相應(yīng)的建議。在WT軟件尾流效應(yīng)的數(shù)值模擬中，軟件計算得到的風(fēng)速與測風(fēng)塔實測風(fēng)速誤差僅為6.08%，可知WT軟件在空氣動力場的尾流效應(yīng)評估中具有較高的準確性。

空氣動力場；尾流模型；Meteodyn WT

引言

隨著風(fēng)電行業(yè)的飛速發(fā)展，地形平坦的可開發(fā)優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源急劇減少，復(fù)雜山地已經(jīng)成為了風(fēng)電場建設(shè)的重要部分。在復(fù)雜地形風(fēng)電場風(fēng)能資源評估過程中，基于CFD技術(shù)的Meteodyn WT軟件成為了重要分析工具。在風(fēng)電機組運行過程中，風(fēng)流經(jīng)過上游的風(fēng)機時風(fēng)速都會有一定的衰減，因此會影響下游風(fēng)機的輸出功率，這就是所謂的尾流效應(yīng)[1]。在Meteodyn WT軟件進行風(fēng)電場前期風(fēng)能資源評估時，對風(fēng)電機組尾流效應(yīng)評估的準確性成為了重要研究課題。

1 Meteodyn WT軟件尾流模型簡介

Meteodyn WT軟件是法國美迪公司采用計算流體力學(xué)方法對三維雷諾平均納維—斯托克斯（RANS）方程[2]進行完全求解，研發(fā)的一款可適用于復(fù)雜地形風(fēng)電場風(fēng)能資源評估的商業(yè)軟件。

Meteodyn WT軟件5.2.1版本中使用的尾流模型是改進的PARK模型[3]。模型考慮了風(fēng)機后部的軸對稱風(fēng)流，如圖1所示。

其中，風(fēng)機正常運行時尾流區(qū)域是以輪轂為中心軸對稱的錐形，在這個錐形尾流中的風(fēng)速衰減因數(shù)計算如下：

如果下風(fēng)向風(fēng)機葉輪部位位于上風(fēng)向風(fēng)機尾流區(qū)域內(nèi)，其風(fēng)速衰減與重疊面積成比例：

2 數(shù)值模擬方案

本文所選取的風(fēng)電場實例位于陜北地區(qū)，空氣動力場現(xiàn)場測試位于風(fēng)電場14#風(fēng)機附近。在14#風(fēng)機南北兩邊各設(shè)立了一座70m高度的測風(fēng)塔，其中M1測風(fēng)塔位于距離#14風(fēng)機135m的北邊平坦地形上，M2測風(fēng)塔位于距離#14風(fēng)機205m的南邊懸崖斜坡上。測風(fēng)塔與風(fēng)機的相對位置見圖2。

圖2 現(xiàn)場測試測風(fēng)塔與風(fēng)機的相對位置圖

在現(xiàn)場測試過程中，對M1、M2兩座測風(fēng)塔2015年9月1日至2016年8月31日一整年的測風(fēng)數(shù)據(jù)進行了采集。在經(jīng)過數(shù)據(jù)檢驗和處理后，M2測風(fēng)塔70m高度處的風(fēng)圖譜見圖3。由圖3可知，該空氣動力場內(nèi)主風(fēng)向為180°。

圖3 M2測風(fēng)塔70m高度的風(fēng)圖譜

在WT軟件尾流模型驗證的過程中，使用M2測風(fēng)塔的實測數(shù)據(jù)作為軟件數(shù)值模擬的輸入數(shù)據(jù)，并且在14#風(fēng)機點位布置一個與現(xiàn)實相同參數(shù)的風(fēng)機，計算得到M1測風(fēng)塔點位70m高度處風(fēng)速的時間序列文件，并與M1測風(fēng)塔的實測風(fēng)速進行比較，從而分析WT軟件計算時所使用尾流模型的準確程度。WT軟件計算時空氣動力場高程見圖4。

圖4 WT軟件數(shù)值模擬時空氣動力場高程

3 模擬結(jié)果分析

為了分析WT軟件尾流模型的準確性，比較風(fēng)向為180±5°時計算得到的風(fēng)速與同一時間下M1測風(fēng)塔70m高度的實測風(fēng)速。

采用Bin方法[4]，將M2測風(fēng)塔入流風(fēng)速區(qū)間分割為多個1m/s大小的獨立區(qū)間，例如[2.5m/s，3.5m/s]。對每個獨立區(qū)間的風(fēng)速進行數(shù)據(jù)篩選，比較同一時間序列內(nèi)M1測風(fēng)塔的軟件計算得到的風(fēng)速和實際測量風(fēng)速。圖5即為不同風(fēng)速區(qū)間下M1測風(fēng)塔70m高度處軟件計算得到的風(fēng)速與實際測量風(fēng)速的對比。

由圖5可知，風(fēng)速達到切入風(fēng)速3m/s時，此時風(fēng)機尾流幾乎為零。隨著來流風(fēng)速的增大，受風(fēng)機尾流影響風(fēng)速衰減先增大后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。當來流風(fēng)速小于10m/s時，WT軟件計算得到的風(fēng)速與實際測量風(fēng)速誤差較大；風(fēng)速在[10m/s，15m/s]區(qū)間時，WT軟件尾流計算與實際值最接近；當風(fēng)速大于15m/s時，由于此時來流風(fēng)向滿足180±5°的數(shù)據(jù)量不足，所以軟件計算得到的風(fēng)速與實測風(fēng)速誤差較大。

圖5 不同風(fēng)速區(qū)間下軟件計算得到的風(fēng)速與實際測量風(fēng)速對比

為了量化WT軟件計算時尾流模型的準確性，對圖5中不同來流風(fēng)速區(qū)間內(nèi)M1塔70m高度軟件計算的風(fēng)速與實測風(fēng)速進行誤差計算。不同來流風(fēng)速下WT軟件計算得到的風(fēng)速與實測風(fēng)速的誤差表見表1。

表1 不同來流風(fēng)速下WT軟件計算得到的風(fēng)速與實測風(fēng)速的誤差表

由表1可知，來流風(fēng)速為3m/s時，WT軟件中所使用的尾流模型計算得到的風(fēng)速與實測偏差最大，原因是風(fēng)機實際運行中在風(fēng)速小于3m/s時就已開始發(fā)生葉輪轉(zhuǎn)動。來流風(fēng)速小于7m/s時，軟件計算得到的風(fēng)速與實測值偏差較大；風(fēng)速大于7m/s時，軟件計算得到的風(fēng)速與實測值偏差較小。綜合所有風(fēng)速區(qū)間，WT軟件在尾流模擬中平均誤差為6.08%。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)空氣動力場實測數(shù)據(jù)，對Meteodyn WT軟件的尾流模型的準確程度進行驗證。結(jié)論如下：

（1）在所有來流風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，WT軟件計算得到的風(fēng)速與實測風(fēng)速誤差僅為6.08%。說明WT軟件在空氣動力場的尾流效應(yīng)評估中具有較高的準確性。

（2）受風(fēng)機尾流影響，風(fēng)速折減率隨著來流風(fēng)速的增大先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。

（3）當來流風(fēng)速大于7m/s時，WT軟件的數(shù)值模擬對尾流評估的準確性較高，來流風(fēng)速低于7m/s時，對尾流評估的準確程度偏低。

[1] 許昌, 鐘淋娟. 風(fēng)電場規(guī)劃與設(shè)計[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2014.

[2] 方艷瑩, 徐海明, 朱蓉. 基于WRF與CFD軟件結(jié)合的風(fēng)能資源數(shù)值模擬實驗研究[D]. 2012.

[3] Meteodyn WT使用幫助與在線文檔.

[4] 盧勝, 吳莎. 基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)電場后評估方法[J]. 電子測試, 2016, (01): 41-43.

Verification of WT Software Wake Model Based on Aerodynamic Field Test Data

YUAN Hongliang*, HU Yi

(Power China Northwest Engineering Corporation Limited, Shaanxi Xi'an 710065, China）

In this paper, the accuracy of the wake model used in Meteodyn WT are validated based on the aerodynamic field test data of a wind farm, and the corresponding suggestions about using WT software for wind resource assessment and power generation calculation are proposed in the future. In the numerical simulation of wake effect by WT software, the error value between calculated wind speed by WT software and the measured wind speed is only 6.08%. It can be seen that WT software has high accuracy in the wake effect evaluation of the aerodynamic field.

aerodynamic field; wake model; Meteodyn WT

袁紅亮, 胡義. 基于空氣動力場測試數(shù)據(jù)對WT軟件尾流模型的驗證[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2017, 6(5): 24-25.

YUAN Hongliang, HU Yi. Verification of WT Software Wake Model Based on Aerodynamic Field Test Data[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 24-25.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.009

TK221

A

1672-9129(2017)05-0024-02

2017-01-13；

2017-03-02。

袁紅亮（1985-），男，陜西西安，工程師，研究方向：風(fēng)能資源評價。E-mail:2209282216@qq.com