風(fēng)力機運行對近地層風(fēng)速及湍動能影響的研究

王松嶺，靳超然，劉　梅，吳正人，劉維維

(華北電力大學(xué) a. 能源動力與機械工程學(xué)院； b. 經(jīng)濟與管理學(xué)院，河北保定071003)

風(fēng)力機運行對近地層風(fēng)速及湍動能影響的研究

王松嶺a，靳超然b，劉梅b，吳正人a，劉維維a

(華北電力大學(xué) a. 能源動力與機械工程學(xué)院； b. 經(jīng)濟與管理學(xué)院，河北保定071003)

摘要：為研究風(fēng)力機運行對大氣邊界層的潛在影響，采用GAMBIT軟件建立風(fēng)力機及風(fēng)場模型，應(yīng)用UDF技術(shù)加載邊界層速度分布函數(shù)作為流場入口邊界條件，基于尾流特性及湍流理論，應(yīng)用FLUENT軟件對單臺風(fēng)力機運行對大氣邊界層底部近地層的影響進行模擬，通過分析風(fēng)力機下游流場的特點來探索風(fēng)力機對大氣邊界層內(nèi)的速度及湍動能的影響，以期分析邊界層的變化情況。結(jié)果表明，風(fēng)力機的運行使邊界層內(nèi)風(fēng)速、湍動能均發(fā)生較大變化，這將進一步影響邊界層某些參數(shù)，進而可能改變風(fēng)電場周邊的環(huán)境氣候。

關(guān)鍵詞：大氣邊界層；風(fēng)力機；風(fēng)速；湍動能；數(shù)值模擬

中圖分類號:TK811

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.10.013

收稿日期：2015-06-12。

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(2015MS114)。

作者簡介：王松嶺(1954-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為熱力設(shè)備及大型回轉(zhuǎn)機械安全、經(jīng)濟運行，流體動力學(xué)理論及應(yīng)用，E-mail：hdwangsl@163.com。

Abstract：For the study of the potential influence of the wind turbine to the fluid flow in the atmospheric boundary layer, Gambit software was chosen to build the horizontal axis wind turbine and the whole flow field, the velocity distribution function of the boundary layer was loaded by the UDF as the inlet boundary condition. Based on the wake model, combined the turbulence theory, Fluent software was used to simulate the fluid flow in the bottom of the atmospheric boundary layer caused by the single wind turbine. By analyzing the characteristics of the downstream flow of the turbine, the paper explores the effect of the wind turbine to the velocity and the turbulent kinetic energy in the atmospheric boundary layer, then analyzes the changes of the atmospheric boundary layer in the field. The result shows that the wind turbine makes velocity and turbulent kinetic energy change obviously, which may influence some parameters of the boundary layer, and change the environment even the migration of pollutants around the wind farm.

Keywords：atmospheric boundary layer; wind turbine; wind speed; turbulent kinetic energy; numerical simulation

0引言

風(fēng)力發(fā)電是可再生能源中最具規(guī)模化開發(fā)條件的發(fā)電技術(shù)之一，作為清潔能源，其是解決能源短缺、能源安全和環(huán)境問題(污染問題、碳排放等)的有力手段之一。但是，風(fēng)電場的運行截取了正常參與大氣循環(huán)的氣流，改變自然循環(huán)，風(fēng)力機吸收風(fēng)的動能后使邊界層內(nèi)的湍流強度增高，風(fēng)速降低。而大氣邊界層內(nèi)湍流引起的各種物理量的交換和輸送會改變局地能量分布和水汽交換，使風(fēng)速、溫度等發(fā)生變化，進而改變某些環(huán)境物理參數(shù)[1]，所以開展風(fēng)力機對邊界層的研究對風(fēng)電場周邊邊界層的影響有著重要意義。文獻[2]通過模擬實驗研究不同大氣穩(wěn)定度條件下風(fēng)電場對地表氣溫的影響。胡菊[3]利用區(qū)域氣候模式研究了風(fēng)電場建設(shè)30年后大氣邊界層內(nèi)溫度及濕度的變化特征。Porte-Agel[4]應(yīng)用大渦模擬對風(fēng)電場對當(dāng)?shù)貧庀鬂撛谟绊懷芯刻峁┝舜罅孔C明，提出風(fēng)電場對氣象的影響與風(fēng)力機降低當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、加強豎直方向上的動量、熱量、濕度的混合是密不可分的。Wang[5]利用CCM3模型、Maria[6]利用旋轉(zhuǎn)葉片動量理論，研究結(jié)果均證明：大型風(fēng)電場會對電場周邊區(qū)域、乃至全球的環(huán)境和氣候的影響是不容忽略的。文獻[7，8]采用風(fēng)洞實驗分別來研究風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)的通量傳輸和邊界層湍流及表面粗糙度對尾流的影響。本文應(yīng)用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)進行相應(yīng)的模擬計算。CFD通常用于風(fēng)力機的尾流流場分析[9～10]及氣動性能模擬等[11～12]，但是通過CFD將兩者結(jié)合，研究風(fēng)力機運行對大氣邊界層影響的文獻較少。本文采用FLUENT對單臺風(fēng)力機周圍的流場進行數(shù)值模擬，對風(fēng)力機所引起的流場變化進行研究，以此分析風(fēng)力機對周圍大氣邊界層的影響情況，同時為能源與環(huán)境之間的關(guān)系提供一定的指導(dǎo)作用。

1計算模型及網(wǎng)格處理

1.1　幾何模型

利用葉素-動量理論在GAMBIT中建立1.2 MW風(fēng)力機葉輪模型，模型如圖1所示。

圖1　風(fēng)力機葉輪模型

旋轉(zhuǎn)流場是包含葉片在內(nèi)的扁圓盤，整體流場區(qū)域是包含扁圓盤在內(nèi)的整個流場，將其簡化為長方體狀，模型長寬高分別為1 200 m，300 m，300 m。風(fēng)力機位于入口后180 m處，即相當(dāng)于3d處，d為風(fēng)輪直徑，來流到達此處時已充分發(fā)展，整體流場模型如圖2所示。

圖2　整體流場區(qū)域尺寸

1.2　網(wǎng)格劃分

對模型進行網(wǎng)格劃分，通過調(diào)試340萬、418萬、580萬三套網(wǎng)格劃分方案，對其進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，以輪轂中心線上的湍動能變化為參考，發(fā)現(xiàn)兩種較多網(wǎng)格數(shù)量模型的計算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量最少的模型的計算結(jié)果差別較大，而兩種較細網(wǎng)格的計算結(jié)果近似一致。因此最終選用中間網(wǎng)格即418萬的網(wǎng)格模型進行計算。

1.3　邊界條件

進口：為速度入口邊界條件。采用邊界層指數(shù)方程[13]：

(1)

式中：U0為Z0高度處的風(fēng)速；Z0為參考高度；UZ為Z高度處的風(fēng)速，Z為任意高度；a為地面粗糙度系數(shù)。針對A類地貌(沙漠、海島、湖岸、海岸、開闊水面等)進行模擬，取U0為10，Z0為10，a為0.16，應(yīng)用UDF(user-defined function，用戶自定義函數(shù))編譯中性狀態(tài)時A類地貌對應(yīng)的風(fēng)速廓線。

出口：邊界條件為outflow；

葉片及輪轂：旋轉(zhuǎn)固體壁面wall；

流場底面：無滑移邊界條件wall，A類大氣邊界層所對應(yīng)的地面粗糙高度為0.01 m；

流場頂面及側(cè)面：對稱邊界條件，即symmetry。

風(fēng)力機周圍流體隨著葉片及輪轂共同以19.27 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，將模型簡化為三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動，流動過程與外界無換熱。采用SST k-w紊流模型，基于定常雷諾時均N-S方程進行數(shù)值模擬。速度與壓力之間的耦合采用SIMPLIC算法，對流項差分格式采用二階迎風(fēng)格式，連續(xù)方程的無量綱殘差及所有變量降到10-3以下計為收斂。

2計算結(jié)果與分析

大氣邊界層是地球與大氣之間進行物質(zhì)和能量交換的橋梁，大氣邊界層靠近地面，其主要特點是運動的湍流特性，湍流交換決定了邊界層內(nèi)各種變量的分布及變化，所以針對風(fēng)力機對邊界層的影響，從速度和湍動能兩個方面來分析。

2.1　速度分布

氣流經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機后，由于風(fēng)力機的存在，對來流有阻礙作用，因此下游流場發(fā)生很大變化，位于風(fēng)輪后不同距離處的速度隨高度的變化的具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　風(fēng)力機下游不同截面不同高度處的風(fēng)速　m/s

從表1可以看出，在相同高度處，40 m，60 m處的速度均隨距離的增加而增加，其他高度處的速度分布與距離遠近無明顯規(guī)律。風(fēng)力機下游中，距離風(fēng)力機同一位置處，除2d外，其他處的速度大體上隨高度的增加而增加，具體速度分布云圖如圖3所示。

圖3　不同截面上的速度云圖

位于風(fēng)輪后不同距離處的XY平面的速度分布云圖如圖3所示。從圖3中可以更加直觀地看出，流體經(jīng)過風(fēng)力機后將使邊界層內(nèi)速度分布發(fā)生變化。近風(fēng)輪部分很明顯地看到經(jīng)過葉輪之后風(fēng)速的衰減情況，而后隨著流體向下游流動，尾流逐漸擴散到周圍區(qū)域，下游的速度分布發(fā)生很大變化，但是下游速度的變化速率隨距離增加逐漸趨于平緩，且在遠尾流區(qū)域，依然在豎直方向可以看到有明顯的速度分層現(xiàn)象，尾跡作用依舊很明顯，在達到17倍直徑后即流場出口處，速度分布情況依舊與來流速度分布存在差別。

2.2　湍動能分布情況

湍流動能(Turbulent Kinetic Energy)是微氣象學(xué)中的一個重要變量，是湍流強度的度量，關(guān)系到邊界層內(nèi)各種通量的輸送和重新分配，在大氣的能量平衡中起重要作用。由于風(fēng)力機的運行在尾跡中產(chǎn)生湍流，攪動了氣流，進而增強了對邊界層的擾動作用，風(fēng)力機下游不同距離處的湍動能數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　風(fēng)力機下游不同高度處的湍動能　m2/s2

從表2中可以看出距離風(fēng)力機不同距離處的湍動能沿豎直方向的分布情況。湍動能的具體變化情況如圖4所示。

圖4　不同截面上的湍動能云圖

首先，在同一高度處，湍動能隨著下游距離的增大無一例外的均呈現(xiàn)減小的趨勢。但是在距離風(fēng)力機相同距離處，湍動能沿豎直方向的分布卻略有不同：在近尾流區(qū)域，湍動能由地面先減小，直至達到葉輪底部，然后逐漸增大直至輪轂處，隨后逐漸減小直至葉輪頂部，最后略微增大后基本不再變化。而在遠尾流區(qū)域，湍動能由地面先減小直至葉輪底部，而后緩慢增加直至葉輪頂部偏上部位后幾乎不再變化。

3結(jié)論

(1)對速度的影響：近風(fēng)輪處、輪轂高度處的軸向速度衰減最快，隨著尾流向下游流動，流體逐漸向周圍擴散，速度逐漸緩慢增加，但速度增加的速率逐漸變緩，且尾跡范圍逐漸擴大，但在下游距離風(fēng)輪17d的位置處速度仍未恢復(fù)到原來狀態(tài)。

(2)對湍動能的影響：近尾跡區(qū)域，由于風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)的擾動作用，由地面至高空，湍動能呈現(xiàn)出先減小，后增大，再減小再增大的趨勢；下游較遠距離處，湍動能則先減小后增大；但隨著向下游的延伸，湍動能逐漸降低且變化速率也逐漸降低。

(3)本文通過數(shù)值模擬，利用流體力學(xué)軟件把風(fēng)力機運行與大氣邊界層流動之間相互聯(lián)系起來，可以用于研究風(fēng)力機尾流流動，還可以預(yù)測風(fēng)電場對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響等方面，且對于日后研究能源的利用與環(huán)境之間的關(guān)系有一定的作用。

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Numerical Study on the Influence of Wind Turbine on Wind Speed and Turbulent Kinetic Energy in Surface Layer

Wang Songlinga，Jin Chaorana，Liu Meib，Wu Zhengrena，Liu Weiweia(a.School of Energy Power and Mechanical Engineering; b.School of Economics and Management, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)