动态来流及塔影效应对风力机尾迹特性影响研究

杨莉 李丽 孙凯 胡丹梅

摘   要：台风是风力发电机组的主要故障因素之一。针对正常风况和极端风况进行了UDF建模，得到的动态来流模型还考虑了阵风及极端风向变化情况，基于FLUENT采用滑移网格技术和RNG 研究了动态来流及塔影效应对风力机下游尾迹特性的影响。结果表明：通过UDF编译的动态来流与理论值完全吻合，验证了UDF的正确性;风机前端来流的随机波动会引起风力发电机输出功率波动，尾迹结构出现形变。此外，扭矩以及功率受风机塔影效应影响而下降，塔架表面升力突变，进而影响塔架疲劳寿命。数值计算的结果对风力机组结构设计和风电场机组阵列分析具有重要参考价值。

关键词：动态来流;塔影效应;尾迹;风力机

中图分类号：TP391.1                                           文献标识码：A

Study on Influence of Dynamic Inflow and Tower Shadow Effect

on Wake Characteristics of Wind Turbines

YANG Li1，LI Li1，SUN Kai2，HU Dan-mei2?

（1. State Key Laboratory of Disaster Prevention and Reduction of State Grid Hunan

Electric Power Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 410129，China;

2. College of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

Abstract：Typhoon is one of the main factors lead to failure of wind turbines. Normal wind condition and extreme wind condition are modeling by UDF. Dynamic inflow model was built while gusty wind and extreme wind direction changing were considered. Based on FLUENT，sliding grid technology and RNG，the effects of dynamic incoming flow and tower shadow effect on the downstream wake characteristics of wind turbines are studied. The results show that the dynamic inflow compiled by UDF is in good agreement with the theoretical value，which verifies the correctness of UDF. The power output of wind turbines fluctuates with the changing of dynamic inflow. Deformation of wake geometry was also observed. The decreasing of torque and power of wind turbines was caused by tower shadow effect，which makes the lift of tower surface change sharply，and fatigues the tower. Life expectancy has a negative impact. The results of numerical calculation have important reference value for the structural design of wind turbine units and the array analysis of wind farm units.

Key words：dynamic inflow;tower shadow effect;wake;wind turbine

风力发电机组是将风能转化为电能的电力设备，良好的风况是风机正常运行的前提条件，但由于风机所处自然环境中风速往往是不稳定的，尤其是台风等大风条件下风速分布存在强烈的湍流脉动特征，对风机的运行安全存在威胁[1-4]，而在现有研究中，通常以均匀风速作为条件，从而达到简化运算的目的。但此种简化方式未考虑风速分布中幅值及风向的变化特征，虽然有利于仿真计算，但是会导致仿真结果不能真实反映实际工况。同时，由于对风机性能要求的不断提高，风机结构尺寸也不断增加以支持更高功率的发电机组，在这样的背景下，有必要针对塔影效应对风机功率输出以及尾迹的影响进行研究，了解大型风力发电机组的空气动力学特性。

沿海及海上风力发电机组在正常运行时会遇到台风，尤其是在我国东南沿海地区，每年都会受到台风侵袭[5]。台风条件下气流的湍流程度高，具有脉动变化特征[6-8]，针对风机的工况，使用Fluent软件中的DUF模块，对风机受到的来流进行了建模和编译，主要考虑了正常及极端情况下风速高度变化，以及極端条件下阵风风速分布、考虑风向变化的风速分布等因素，用Fluent软件分析了风机气动性能和尾迹分布特征，并考虑了塔影效应的影响。

1   动态来流及塔影效应模型

1.1   正常条件下垂直风切变风速廓线分布模型

风切变是指风矢量在空中水平和垂直距离上的变化，按风向可分为水平风的水平切变、水平风的垂直切变、垂直风的切变[9-10]。其中垂直风的切变是导致风机输出波动的主要因素[11]，也是本文的研究重点。根据风力发电机组设计要求，风速廓线V（y）可以表示为：

式中y为纵坐标，表示与地面距离;yhub为轮毂高度，取yhub = 90 m，取该高度处平均风速Vhub = 10 m/s;α为风速高度变化系数，根据建筑结构荷载规范及相关设计规程，可以取值0.2。

1.2   极端条件下垂直风切变风速分布模型

风电机组在台风等极端条件下会产生极限风载荷，在极端风况下，往往会产生湍流等剧烈变化的风速分布[12-15]，基于风力发电设计要求，规定重复周期为一年的极端垂直风切变V（y，t）为

式中α = 0.2;β = 4.8;T = 12 s;湍流长度尺度Λ = 21 m;风力机组风轮直径D = 126 m;风速垂直分量标准差σ = 2.1 m/s。

1.3   极端条件下阵风风速分布模型

根据风力发电机组设计技术规程[16]，以重现期为1年的阵风风速为研究对象，其数学模型如下式所示：

式中T = 10.5 s;Vgust为重复周期为一年的轮毂高度阵风幅值，Vgust = β[σ/（1+0.1D/Λ）]。

1.4   极端风向变化风速模型

重复周期为一年的极端风向瞬间变化θ（t）为

式中θe为重复周期为一年的极端风向变化幅值，θe = ±βarctan[（σ/Vhub（1+0.1D/Λ）]。

根据风向角度不同，对风速取定向速度分量，以此间接反映风向角度变化，解决Fluent软件中无法直接显示角度变化的问题，求取速度分量的示意图如图1所示。

1.5   塔影效应风速模型

塔影效应是指由于塔架对气流的阻挡作用，导致塔架后面气流风速降低的现象，进而影响风机叶片附近的空气动力场，这在大型风机上更为明显，这是由于大型风机结构尺寸更大[17-20]，对空气流场的影响也更大。综合考虑塔影影响，其风场为

式中Vhub为轮毂高度处风速;V0为所分析风场区域的平均风速; a为塔架等效半径; x为塔架中心线到叶片平面的距离;y为叶片到塔架轴线水平方向的距离。

2   数值模型及计算

2.1   几何模型

选取用于建模的风力机为NRELⅤ 5 MW风力发电机，该风机额定转速为12.1 rpm，风轮直径为126 m。所建立整机模型如图2所示。

2.2   网格划分

根据风机的运行特征，将所研究的流场区域分为旋转区域和静止区域两种，旋转区域包括叶轮及轮毂等发生旋转运动的部分，除上述两部分外的计算流场为静止区域[21-23]。由于两部分区域的流场模式不同，仿真过程中采用ICEM对旋转、静止区域进行分块处理，创建结构化网格对模拟区域进行划分，叶片及塔架附近是关注重点，在此处建立O型网格并合理細化，对于各部分表面的法向，以指数函数设置节点分布，指数系数比率为1.2。固体模型表面网格边距设置为1 mm，以确保所创建的边界层网格具有较高划分精度。为减少计算工作量，采用稀疏六面体网格对外围次重要的关注区域进行划分，处理后计算区域网格数量大为缩减，经验证创建网格的畸变率均小于0.85，符合网格质量要求。所建立模型的网格剖分情况具体如图3所示。

2.3   仿真计算及仿真边界条件

基于风机运行特征所创建的仿真模型为流固耦合模型，采用FLUENT软件对所建立的模型进行数值仿真分析，由于风机尾流的影响，导致下游流域内流场发生变化，会产生非稳态自由剪切流[24]，为分析上述条件下的流场分布，本文结合可压缩流体的非稳态三维雷诺特征、Navier-Stocks方程和Fluent中提供的 二方程模型，对流场进行分析。针对叶片旋转运动情况，网格划分过程中采用滑移网格对叶片部分进行动态描述，对于压力速度耦合的算法选用Simple，对流项差分采用二阶迎风格式。

风场分布是本文研究的侧重点，为更好分析风速分布特征与叶片尾迹关系，采用UDF接口描述风速模型，UDF接口可以通过C语言进行编译，属于Fluent软件中用户自定义程序二次开发接口，可被Fluent直接识别，UDF编译后将风速分布赋值至模型速度入口。

此外，根据风机实际运行状态对所建立的模型进行边界条件设置，出口处边界条件采用自由出流outflow，远场流场区域设为静止wall，旋转区域为interface，旋转域流场为动态区域，其内部网格类型设置为Moving Mesh，同时设置此部分具有所选定风力机的相同额定旋转速度，值为ω = 12.1 rpm。

叶片和轮毂设为Wall，同时认为壁面无滑移，各类固体边界设置为静止wall。

3   仿真结果与分析

3.1   动态来流风场模型准确性验证

根据需要，在仿真区域中设置监测点于轮毂高度处，记录仿真结果中风速随时间变化特征，以及极端垂直风切变、极端阵风和风向变化随时间变化特征，上述特征的仿真计算结果与理论值的对比曲线如图4所示。

由图4的结果中看到，各风况下的风速随时间变化的仿真值与理论值基本相符，采用UDF能够有效地对动态来流进行仿真，满足工程需求。

3.2   动态来流对风力机尾迹的影响

不同动态来流扭矩变化与均匀来流和设计值比较图如图5所示。由图5可知，各风况下动态来流的扭矩值较设计值偏小，误差产生原因为限于计算能力，部分网格粗略划分并使用滑移网格计算。风机输出功率可由风机扭矩与对应转速计算而得，随时间变化功率呈波动特性，与UDF函数模型相符。正常垂直风切变工况与均匀来流相近。而在极端垂直风切变、极端运行阵风以及极端风向变化情况下，风机扭矩存在较大波动，其中极端风向变化导致的波动频率较高，且最高功率超过5.5 MW，超过风机额定功率，存在疲劳荷载破坏的可能性，威胁风机结构稳定性和运行安全。针对上述情况，应根据风力机组结构设计方案，进行风电场合理选址并仔细分析当地极端风况，进行针对性保护和优化。

针对动态来流对风力机尾迹区内的风速分布进行了研究，选取下游同一位置处进行仿真分析，得到速度梯度及面流线的分布情况，如图6所示。在X = D处，存在不同风速分布及风速分层，进一步对UDF的正确性进行了验证，且下游风速更加复杂。同时，通过仿真得到不同风况下风力机下游同一位置处风速及强度分布，其风速梯度和湍流强度如图7所示。据图7可知，正常垂直风切变和极端运行阵风的速度梯度略低于均匀来流，此三种风况下风速尾迹分布相近，极端垂直风切变条件下风速数值最小，风机下游尾迹流动呈漩涡状态，均匀来流的尾迹分布特征为以轮毂高度为中心的扩散状漩涡，由图6（a）所示。动态来流导致风机尾迹出现较大变化，三种极端运行阵风工况下尾迹结果变化特性相近，涡核基本处于轮毂高度附近，但是涡旋的尺寸出现变化，由图6（b）至由图6（d）所示。横向比较来看，风机叶轮根部漩涡形状较为规则，而在叶片尖端处则为不规则漩涡。极端风向变化条件下风机下游尾迹机构呈不规则变化特性，由图6（e）所示。

3.3   塔影效应对风力机尾迹的影响

根据所选用的NREL5MW风机的结构与运行数据，对塔影效应对风力机尾迹的影响进行了研究。选定风机叶片数目为3片，额定转速为12.1 rmp/s，可计算得到旋转周期值为5.04 s，叶片旋转周期为1.68 s，叶片旋转至塔架正前方的周期与风机输出扭矩波动周期一致，设定时间参数t = 18.48 s，该时刻不同动态来流条件下塔架存在状况对风机输出功率变化的影响如表1所示。如表1所示，计算结果表明，塔架产生的塔影效应会导致风机输出功率下降，即塔影效应对风机运行功率会造成影响。同时，叶片旋转过程中，塔架表面升力因叶片旋转位置不同而产生变化，塔架表面升力随时间的变化曲线如图8所示。由图8可知，塔架表面升力随时间呈周期性变化，变化周期与叶片旋转周期相同，当塔架位于片叶片尾迹区时，塔架表面升力骤降，塔架表面升力突变，这样的长时间周期性升力变化会导致塔架产生严重疲劳破坏。

对t = 18.48 s时刻不同高度处风机叶片与塔架的相互影响进行研究，结果如图9所示。该时刻叶片位于塔架正前方，模型考虑到风机叶轮的旋转，入流风速应为相对风速，这与风机实际运行情况相符。仿真结果表明在不同高度处尾迹区内速度梯度的分布具有相似特征，根据风场分布特征发现风机叶片与塔架之间存在互扰干涉，且塔架背后的涡流可能影响风机下游尾迹。

4   结 论

针对风力发电机组运行条件，使用Fluent中UDF模块建立了正常风况和极端风况下动态来流模拟，对动态来流以及塔影效應对风机下游尾迹影响进行了仿真分析。结果表明，不同风况下风机功率输出特性存在不同。其中，极端运行阵风下风机的功率输出明显低于均匀来流下情况，而其他三种极端风况下则出现了不同程度的功率过载现象。风力机产生的塔影效应会导致风机输出功率和扭矩下降，塔架表面升力周期性波动，波动周期由叶轮转速决定，威胁塔架疲劳寿命。

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