風力機尾流理論模型研究現狀綜述

蘇萬清

(天津工業大學機械工程學院 天津 300387)

在風電場中，下游風力機的入流風速會受到上游風力機的影響，從而影響風力機組的合理布置，進而影響總發電量。因此，需對風力機尾流進行研究。目前利用CFD數值模擬方法，研究風力機尾流風速分布具有較高的精度，但數值模擬計算復雜、周期長，在實際工程應用中是很難接受的。此時，利用數學公式表達的理論尾流模型就顯得尤為重要。

一、風力機尾流理論模型簡介

風經過運轉的風力機后，湍流強度增大，速度降低，引起大量的能量損失，這被稱為尾流效應。風力機尾流理論模型是針對尾流效應利用相關理論推導出的數學公式，依賴其計算簡單、成本低和時間短等特點，被越來越多的應用到風力機尾流風速預測當中。

二、研究現狀

(一)國外研究現狀

針對風力機尾流理論模型的研究，國外起步較早，相關學者提出了一系列關于風力機尾流分布的假設，并給出了相應的尾流理論模型，為后續的尾流研究奠定了基礎。

1983年，Jensen[1]率先對風力機尾流理論模型展開研究，并基于一維動量理論提出用于預測風力機尾流風速的理論模型，Jensen模型假設尾流為線性擴散，尾流半徑隨尾流位置變化，尾流風速僅與速度誘導因子和尾流位置有關，該模型成為風資源分布軟件WAsP的主要尾流理論模型。Vermeer等[2]研究了Jensen模型的尾流預測精度，由于其速度在徑向上是常數，從而導致預測精度有所欠缺。Frandsen等[3]針對海上風力機，基于動量理論提出Frandsen尾流理論模型，并給出了尾流擴散系數的經驗公式和湍流強度計算模型。González等[4]在Frandsen模型的基礎上，采用改進的廣義尾流衰減效應簡化了風電場風速計算模型，將該模型推廣到處理多風力機的疊加尾流。

(二)國內研究現狀

國內學者在國外學者研究的基礎上進行了深入研究，對現有模型進行修正或提出新的理論模型，并應用到風力機組排布優化中。

曾利華等[5]認為風力機尾流擴散半徑為非線性變化，并提出非線性尾流模型，與CFD三維模擬結果對比的結果說明非線性模型尾流預測更加合理。田琳琳等[6]認為風力機尾流風速呈拋物線型分布，利用余弦函數對Jensen尾流模型進行修正，提高了尾流模型的計算精度，并將其應用到多種地形的風力機組排布優化中。宋夢譞等[7]將尾流的發展視為風力機葉片產生的多個虛擬粒字運動，提出了一種計算尾流的粒子跟蹤模型，該模型用虛擬粒子的濃度來表示尾流的強度。胡劍簫[8]基于質量守恒定律和高斯分布公式，在Jensen模型基礎上提出高斯分布尾流模型，并以此對經典風力機組排布進行優化，提高了優化精度。

三、總結

本文綜述了國內外針對風力機尾流理論模型的主要研究成果，上述研究中給出了大量的尾流模型，并均具有較好的預測性能，但目前的研究對象均未涉及到垂直軸風力機。由于垂直軸風力機在運轉過程中氣體流動類似于圓柱繞流，且同一葉片多次切割同一流線，導致其尾流特性與水平軸風力機尾流特性大不相同。因此，針對垂直軸風力機的尾流理論模型還需進一步研究。