风力机尾流计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风力机尾流计算方法，具体涉及两种改进k-?SST模型的风力机尾流 计算方法，本发明属于风力发电领域。
【背景技术】
[0002] 风力机尾流效应的研宄对于风电场机组布局有着重要的指导意义，近年来引起专 家学者们的密切关注。对于风力机尾流的数值研宄，一般来说，计算精度主要依赖于两部 分：一是对风轮本身的模拟，也就是说采用合适的模型模拟风力机的存在及其对周围大气 产生的影响；二是对大气边界层的模拟，它是指选取适当的湍流模型预测风场内大气湍流 的流动状况。
[0003] 对于风轮的模拟，目前的方法主要有两大类：直接数值模拟方法和致动系列方法。 前者是指围绕真实叶片外形生成计算网格，然后采用流动方程，以直接捕捉叶片绕流的方 式进行数值模拟。为了精细地体现叶片的几何外形，该方法一般需要大量的计算网格。当 应用于多台风力机的研宄时，所需的计算资源变得更加庞大。后者是指将风轮等效为盘、线 或者面等简单几何体，风轮对大气的作用由简化几何体施加到流体中。在计算网格方面，由 于风轮被简化，大大降低了网格生成复杂度和网格数量；在流动方程方面，该方法将风轮对 大气的影响转化为一项彻体力源项添加到流动方程的右侧。
[0004] 关于大气边界层的模拟，主要是指对大气湍流的模拟。虽然LES模型能够很好地 预测湍流的非定常非线性等特征，但受制于计算资源，其工程应用于性大打折扣。而对计算 条件要求不高的雷诺平均方程（RANS)加湍流模型的方法得到了工程界的普遍认可和广泛 使用。尽管RANS方法有着诸多不可比拟的优势，但在解决某些复杂流动问题时存在一些不 足。于是，学者们根据各湍流模型的特点和所研宄的问题，对现有经典湍流模型进行修正。 国内方面，李新亮等通过对比分析几种湍流模型在模拟平板边界层流动时出现的问题，提 出了修正BL模型。刘景源针对高超声速流动特点，对剪应力输运（SST)模型的封闭常系数 进行了调整。
[0005] 同样地，当使用RANS模型研宄风力机尾流时也存在一些问题，如低估尾流速度的 亏损，延迟尾流的恢复以及缩小尾流半径等。对此，学者们提出了各种修正模型用于提高风 力机尾流的模拟精度。国际上，Kasmin和Masson建议在k-e模型的e方程中添加一个 表示从大尺度涡到小尺度涡能量传递关系的源项。2011年有学者对比验证了三种修正湍流 模型，包括简单的基于湍流各项同性假设的模型和较复杂的基于各项异性假设的雷诺剪应 力（RSM)模型。同年，Prospathopoulos等学者以多台风力机的尾流流场为算例，对提出的 三种修正模型进行了评估校核。2013年，Laan等提出的修正方法是，在湍流粘性系数的表 达式中增加一个非线性项，用来体现湍流的各项异性特征。在国内，就风力机尾流而言，有 关湍流模型的修正研宄尚处于起步阶段，直接相关的文献不是很多。为了准确地捕捉风力 机翼型尾部的流动分离特性，陆利蓬等学者对SA模型提出了修正，该修正方法可扩展应用 于风力机气动性能和近尾迹区的数值研宄中。通过相关算例的验证，结果表明这些修正模 型都取得了一定的改进效果。Spalart等人指出，双方程模型（如k-?，k_e模型）在模拟 自由流场时会引起湍动能衰减现象。为了消除此非物理性衰减，保证整个自由流场的湍流 参数值与入口边界设定的初值一致，Spalart等人提出了改进SST-sust模型。当将此模型 引入到风力机尾流的研宄时发现，预测到的尾流流场与实验结果仍有一定差距。
【发明内容】
[0006] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种风力机尾流计算方法，以解 决现有技术中预测尾流风速准确度不高的技术问题。
[0007] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0008] 风力机尾流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0009] 步骤一：对入口边界的端流原始变量进行初始赋值；
[0010] 步骤二：选用制动盘模型模拟风轮对周围大气流动产生的影响，得到不可压N-S 方程；
[0011] 步骤三：得到SST-sust模型，对SST-sust模型进行修正，得到风力机尾流；
[0012] 步骤四：结合步骤一、步骤三，求解不可压N-S方程。
[0013] 前述的风力机尾流计算方法，其特征在于，所述湍流原始变量包括湍流强度k和 比耗散率《。
【主权项】
1. 风力机尾流计算方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一：对入口边界的端流原始变量进行初始赋值； 步骤二：选用制动盘模型模拟风轮对周围大气流动产生的影响，得到不可压N-S方程； 步骤S ;得到SST-sust模型，对SST-sust模型进行修正； 步骤四：结合步骤一、步骤S，求解不可压N-S方程，得到风力机尾流。
2. 根据权利要求1所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，所述端流原始变量包括 端流强度k和比耗散率
3. 根据权利要求2所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，= w= I，其中U。为来流平均速度，I。为大气端流强度，y为分子动力粘性系数，yt/y 为祸粘性比。
4. 根据权利要求2所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，yt/y= 300。
5.根据权利要求3所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，所述不可压N-S方程为：
其中，C为截面弦长，C,为翼型的气动升力系数，Cd为翼 型的气动阻力系数。
6.根据权利要求5所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，所述SST-sust模型如 下： 其中，Xj为坐标方向，UJ坐标方向 J i
上的速度，P端流生成项，Dk为端流扩散项，k"b为研究对象周围的的端动能，《 "b为研究对 象周围的比耗散率，为封闭常数。
7.根据权利要求6所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，对SST-sust模型进行修 正如下：在SST-sust模型中修正封闭参数0*= 0.033 1= 0. 025 ;丫1= 0. 3706,其中， 01、丫 1为封闭常数。
8.根据权利要求7所述的风力机尾流计算方法，其特征在于，对SST-sust模型进行修 正如下：
【专利摘要】本发明公开了一种风力机尾流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：对入口边界的湍流原始变量进行初始赋值；步骤二：选用制动盘模型模拟风轮对周围大气流动产生的影响，得到不可压N-S方程步骤三：得到SST-sust模型，对SST-sust模型进行修正；本发明的SST-Csust模型能够较好的预测尾流风速准确度，计算得到的湍流强度与实验数据最为接近。SST-Dsust模型，对于风速的预估，在近尾流区与SST-Csust模型相当，在远尾迹区效果更好，与试验结果更加吻合。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104794293
【申请号】CN201510203364
【发明人】杨祥生, 赵宁, 田琳琳
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月24日