一种流固耦合条件下的低算力多机阵列尾流模型构建方法

本发明涉及流体动力学，具体涉及一种流固耦合条件下的低算力多机阵列尾流模型构建方法。

背景技术：

1、风能因其资源丰富、分布广泛、清洁、安全且技术成熟等特点成为全球能源转型的一个重要选择。风电作为可再生能源的支柱，2023年1-10月份新增装机容量累计值为3731万千瓦，同比增长76％，正成为发展最快的新能源途径。现有关于风力发电场的流场研究中侧重的简化风电场模型忽视了流体流动中涡轮和风之间的流固耦合(fsi)，因而无法准确了解风电场的尾流结构和研究风电场的性能。

2、为此，研究人员采用数值分析工具，在基于计算流体动力学(cfd)的风电场模型中模拟风力涡轮机的几何形状。然而，此方法对于具有复杂几何形状的叶片和涡轮机建模时需要极高的计算资源和成本，制约了模型在实际工程中的应用。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种流固耦合条件下的低算力多机阵列尾流模型构建方法，该方法介于解析式风电场模型和cfd模型之间，通过对经典风电场模型(jensen模型)进行修正，并利用分解浸入界面法策略简化cfd模型，在实际应用的初始阶段降低对具有复杂几何形状的叶片和涡轮机的建模要求。此外，该模型可以在有限算力资源的基础上，实现模型的轻量化运算，为工程分析提供更接近实际工况的多机阵列尾流数据。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种流固耦合条件下的低算力多机阵列尾流模型构建方法，包括以下步骤：

4、步骤1：构建大气边界层中风速剖面的经验模型，计算大气边界层的平均风速剖面，过程如下：

5、综合考虑对数剖面、摩擦速度和大气边界层的垂直结构，构建大气边界层中风速剖面的经验模型，计算大气边界层的平均风速；

6、大气边界层的平均风速剖面式如下：

7、

8、其中κ为冯卡门常数；uτ为摩擦速度；z0为粗糙度长度；x3为大气边界层与地表垂直方向的距离，h为大气边界层与地表垂直方向的最大距离，h＝uτ＝/6f，f为科里奥利参数，r′是地球绕地轴的角速度；

9、在某一高度平均风速达到的最大值为：

10、

11、步骤2：提出基于优化jensen模型的风场尾流速度动态变化特性计算方法，过程如下：

12、将风场尾流速度在上、下游风机之间的速度跳变分为以下两种情况：

13、a)当风机的间距大于等于400米时，基于jensen模型，使其中是下游风力涡轮机的轴向速度，是扩展尾迹外的平均自由流速度；

14、b)当风机的间距小于400米时，将jensen模型中的假设修改为其中是上游风力涡轮机的平均输出风速；

15、利用该计算方法，能够反映相邻风力涡轮机之间的相互影响；

16、步骤3：构建多机阵列尾流模型迭代求解器并确定迭代方法收敛准则，过程如下：

17、使用bicgstab方法结合bicg和重启的gmres两种方法，检测解决方案是否达到所需的精度水平，确定达到所需的精度水平之后，通过研究残差来确定迭代方法是否已经达到收敛，并检测由于不稳定性引起的任何发散，而后采用有限差分法对该模型所应用对象物理模型的代数方程进行离散化。

18、进一步的，所述步骤2具体如下：

19、2-1)当风机的间距大于等于400米时，风机表面的风速求解过程基于jensen模型，使得

20、将风场中风机定义为an,n＝{0,1,2,…}，r为任意典型截面扩展尾流的总半径，ri,j表示风机i在风机j处产生的尾迹半径，fi和wi表示风机正面和背面的风场，和表示上游、中游和下游的尾流速度；是在靠近ai处从上游风机的重叠尾迹中夹带的空气的加权速度；表示尾流速度在风与风机的前、后、上、下界面处的速度跳变；

21、考虑背靠背致动器重叠尾迹效应，在jensen模型中提出一个假设r＝r0+αx的速度赤字线性尾迹扩展模型，其中r＝r0+αx是夹带常数，α为夹带参数，r0为风机a0的尾迹半径；

22、将此扩展模型应用于风机正面和背面的风场时，得:

23、

24、其中是扩大尾流之外的平均自由流速度，r0,1＝r0+αx0；从经典作动器盘理论的基本原理可知，将速度变化叠加到自由流上时，速度由变化到且其中a是轴向感应系数；

25、由r0,1和得出:

26、

27、其中

28、将上述速度赤字线性尾迹扩展模型应用于风机a1正面和背面的风场得：

29、

30、因为风机之间的间距通常大于400米，远小于忽略不计，所以jensen模型提出

31、因此，对于an，风机表面的风速定义为：

32、

33、2-2)当风机的间距小于400米时，假设不再成立，合理的假设为由式(4)推出，

34、

35、2-3)利用分解浸入界面法diim建立简化的cfd模型，由一个矩形定义γ的边界，其高度等于风机的直径，宽度等于叶片的根宽度，其中心位于轮毂高度处；

36、由于风力涡轮机尾流速度在由界面包围的风域中的不连续区域γ处发生变化，因此考虑一个叶片根部宽度为叶片根宽数量级的区域，

37、假设的导数在垂直于γ的方向上没有变化；风场尾流速度的跳变在以下情况下定义：

38、情况1:an-1和an的间距大于等于400米，使得

39、

40、情况2:＝an-1和an的间距小于400米，使

41、

42、进一步的，所述步骤3具体如下：

43、3-1)为验证模型迭代方法是否收敛设定的标准如下:

44、标准1：残差范数的值，

45、标准2：相对值为

46、其中和分别为残差和解向量的范数；在进行100-200次补充迭代后若仍满足上述两个条件，则证明迭代方法是稳定的。

47、本发明的设计思路如下：第一步，构建一种大气边界层中风速剖面的经验模型，计算大气边界层的平均风速剖面。第二步，提出基于优化jensen模型的风场尾流速度动态变化特性计算方法。根据风机的间距大小，分两种情况计算风场尾流速度跳变，从而更准确地反映相邻风力涡轮机之间的相互影响。第三步，检测解决方案的精度水平，通过研究残差来确定该模型迭代方法是否已经达到收敛，并检测由于不稳定性引起的任何发散，而后采用有限差分法对该模型所应用对象物理模型的代数方程进行离散化，最终构建多机阵列尾流模型迭代求解器并确定迭代方法收敛准则。

48、本发明有益效果为：

49、1)考虑流固耦合影响，对jensen模型进行修改，构建流固耦合存在下的多机阵列尾流模型，为工程分析提供更接近实际工况的多机阵列尾流数据。

50、2)提出模型简化复杂的cfd风电场模型，实现模型的轻量化运算。

51、3)提出模型不仅适用轴向感应系数为固定值的情况，在不同涡轮的轴向感应系数不同的情况下也同样适用，极大的提高了模型的适用性。