一种基于CFD数值模拟的风力发电机组半经验尾流模型优化方法与流程

本发明涉及一种基于cfd数值模拟的风力发电机组半经验尾流模型优化方法，属于风力发电。

背景技术：

1、风力发电机组尾流效应是制约风电场微观选址、机组布局优化、发电量精准估算以及机组疲劳寿命评估的核心因素。上游机组尾流会导致下游机组风速降低、湍流强度升高，直接造成发电量损失与结构疲劳损伤，因此尾流模型的精度直接决定风电场设计与运营的经济性和安全性。

2、目前工程领域广泛采用jensen半经验尾流模型，该模型因结构简洁、计算效率高，被主流风资源软件集成应用。但该模型基于小型风机实验数据构建，伴随风机大型化与风电场环境复杂化，其固有缺陷日益凸显。一是假设尾流风速径向均匀分布，与实际“轴线低、两侧高”的谷形分布严重不符；二是设定尾流半径线性膨胀，近尾流低估扩散、远尾流高估扩散，适应性差；三是未量化环境湍流强度对尾流恢复的影响，高、低湍流工况下误差显著。

3、计算流体动力学（computational fluid dynamics，cfd）数值模拟可高精度求解尾流流场细节，但计算成本高、耗时长，难以适配大规模风场工程设计。将cfd高保真数据用于半经验模型校准，是兼顾精度与效率的主流方向。现有改进方案多单一修正膨胀系数或叠加湍流影响，未从径向分布、膨胀规律、湍流耦合三方面实现系统性优化，模型通用性与精度仍存在较大提升空间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于cfd数值模拟的风力发电机组半经验尾流模型优化方法，能够实现尾流速度分布、尾流边界、湍流适应性的全面提升。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于cfd数值模拟的风力发电机组半经验尾流模型优化方法，包括：

4、建立风力发电机组的三维模型与计算域，采用雷诺时均方法，结合雷诺应力湍流模型，对单台风力发电机组的尾流场进行计算流体动力学数值模拟，获取不同环境湍流强度工况下的尾流速度场分布数据；

5、基于尾流速度场分布数据分析传统jensen尾流模型在尾流区风速径向分布、尾流区半径轴向膨胀规律以及对不同环境湍流强度响应方面的缺陷，并量化各缺陷对传统jensen尾流模型精度的影响；

6、基于各缺陷对传统jensen尾流模型精度的影响构建改进型jensen尾流模型：

7、采用余弦函数模型描述尾流区风速径向分布，替代传统jensen尾流模型中的均匀分布假设；

8、采用幂函数模型描述尾流区半径轴向膨胀规律，替代传统jensen尾流模型中的线性膨胀假设；

9、建立幂函数模型的关键参数与环境湍流强度之间的经验关系式，使改进型jensen尾流模型自适应不同环境湍流强度工况；

10、利用现场实测数据对改进型jensen尾流模型进行验证，并将验证后的改进型jensen尾流模型作为优化好的风力发电机组半经验尾流模型。

11、结合第一方面，进一步的，计算流体动力学数值模拟包括：

12、采用混合网格策略划分计算域，其中，包含风轮的区域设为旋转域并采用非结构化网格，旋转域之外的区域设为静止域并采用结构化网格；

13、采用多参考系模型处理风轮旋转；

14、设置计算域的入口边界条件为中性大气边界层的对数风廓线，计算域的地面边界条件为标准壁面函数，计算域的出口边界条件为压力出口，计算域的侧面与顶面边界条件为对称边界。

15、结合第一方面，进一步的，余弦函数模型为：

16、；

17、其中，表示风力机下游轴向位置、径向位置处风速，表示风力机下游轴向位置处尾流区平均风速，表示风力机下游轴向位置处尾流区半径，表示入流风速。

18、结合第一方面，进一步的，幂函数模型为：

19、；

20、其中，表示风力机下游轴向位置处尾流区半径，表示缩放系数，定义为待优化的目标风力机的风轮半径与用于构建幂函数模型的标准风力机的风轮半径的比值，表示与环境湍流强度相关的待定尾流膨胀系数，即幂函数模型的关键参数。

21、结合第一方面，进一步的，待定尾流膨胀系数与环境湍流强度之间的经验关系式为：

22、；

23、其中，表示环境湍流强度。

24、结合第一方面，进一步的，改进型jensen尾流模型为：

25、；

26、其中，表示风力机下游轴向位置处尾流区半径，表示缩放系数，定义为待优化的目标风力机的风轮半径与用于构建幂函数模型的标准风力机的风轮半径的比值，表示与环境湍流强度相关的待定尾流膨胀系数，即幂函数模型的关键参数，表示风力机下游轴向位置处尾流区平均风速，表示入流风速，表示风力机的推力系数，表示经验系数，表示风力机的风轮半径，表示风力机下游轴向位置、径向位置处风速。

27、结合第一方面，进一步的，现场实测数据包括现场测风数据、激光雷达测风实验数据和风洞实验数据，验证指标包括尾流区风速径向分布、尾流区风速轴向衰减分布以及尾流区半径。

28、第二方面，本发明提供一种基于cfd数值模拟的风力发电机组半经验尾流模型优化系统，包括：

29、计算流体动力学数值模拟模块，用于建立风力发电机组的三维模型与计算域，采用雷诺时均方法，结合雷诺应力湍流模型，对单台风力发电机组的尾流场进行计算流体动力学数值模拟，获取不同环境湍流强度工况下的尾流速度场分布数据；

30、缺陷分析模块，用于基于尾流速度场分布数据分析传统jensen尾流模型在尾流区风速径向分布、尾流区半径轴向膨胀规律以及对不同环境湍流强度响应方面的缺陷，并量化各缺陷对传统jensen尾流模型精度的影响；

31、模型优化模块，用于基于各缺陷对传统jensen尾流模型精度的影响构建改进型jensen尾流模型：

32、采用余弦函数模型描述尾流区风速径向分布，替代传统jensen尾流模型中的均匀分布假设；

33、采用幂函数模型描述尾流区半径轴向膨胀规律，替代传统jensen尾流模型中的线性膨胀假设；

34、建立幂函数模型的关键参数与环境湍流强度之间的经验关系式，使改进型jensen尾流模型自适应不同环境湍流强度工况；

35、模型验证模块，用于利用现场实测数据对改进型jensen尾流模型进行验证，并将验证后的改进型jensen尾流模型作为优化好的风力发电机组半经验尾流模型。

36、第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括：

37、存储介质：用于存储计算机程序；

38、处理器：用于执行所述计算机程序以实现第一方面所述基于cfd数值模拟的风力发电机组半经验尾流模型优化方法。

39、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述基于cfd数值模拟的风力发电机组半经验尾流模型优化方法。

40、第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述基于cfd数值模拟的风力发电机组半经验尾流模型优化方法。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、本发明提供的基于cfd数值模拟的风力发电机组半经验尾流模型优化方法，通过cfd数值模拟优选湍流模型，精准剖析jensen模型缺陷，从径向、轴向、湍流耦合三方面构建改进模型，经实测数据验证，精度显著优于原模型，适配不同尺寸风机与复杂湍流环境，兼顾计算效率与工程精度，可直接应用于风电场微观选址、发电量预测等工程场景，实用性较强。