基于Fluent的風力發電機和輸電鐵塔尾流仿真模擬

中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司大理局 劉世增 中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司 邵太華 張文杰 胡昌盛

隨著風力資源的持續開發和電網輸電線路的不斷發展，越來越多輸電線路穿越或鄰近風電場區域，風力發電場設計規范僅從風機倒塌角度考慮到架空輸電線路保持1.5倍風機高度的安全距離，并未從其它方面研究兩者間的相互影響。2016年云南省大理州1條110kV 線路穿越九龍坡風電場，穿越風電場的線路導線多處出現斷股現象，嚴重的甚至導致整基桿塔傾斜，而該線路未穿越風電場的區段未出現導線斷股等現象。究其原因，可能是因為風電場建成后風場的水平或垂直變化導致[1-3],也可能微風震動增大了線路本身抗振壓力導致，又或者風場的不規則變化改變了覆冰程度導致。因此研究風力發電機與輸電線路鐵塔的尾流效應可為輸電線路和風電場設計、運行提供參考。

1 計算模型與網格劃分

風力發電機。在SolidWorks 中建立1.5MW風力發電機模型，風力機葉輪直徑60m，轉速為1.27rad/s。在ANSYS 中導入風力機模型并建立尺寸為2700m×800m×500m 的長方體流體域，考慮兩臺風機串列的情況進行模擬。將流場計算區域分為旋轉域與外域兩部分，旋轉流場的旋轉域部分建立成扁圓盤，葉輪位于旋轉內域中央，由于主要考慮風力機下游流場的變化情況，故忽略塔架的影響。根據上述建好的模型進行網格劃分，采用非均勻的四面體非結構化網格，對旋轉域和葉片表面進行局部加密處理（圖1）。

輸電鐵塔。采用貓頭塔，塔高75m。在ANSYS中導入鐵塔模型并建立尺寸為500m×300m×200m的長方體流體域，對建好的模型進行網格劃分，采用非均勻的四面體非結構化網格，對旋轉域和葉片表面進行局部加密處理（圖2）。

圖1 風力機尾流模擬模型和網格劃分

圖2 鐵塔尾流模擬模型和網格劃分

計算方法和邊界條件。本次模擬采用有限體積法，湍流方程選用k－ε 雙方程模型，擴散項采用中心差分法，對流項采用二階迎風格式離散。采用SIMPLE 算法進行壓力和速度的解耦，避免出現不合理的壓力和速度。本次模擬采用的邊界條件如下：入口采用均勻速度，速度大小為15m/s；出口為自由出流，故其出口壓力設為大氣壓；流場底面設置為無滑移邊界條件，固體壁面；流場側面及頂面設置為自由滑移壁面；由于風機葉片轉動時為動態的，采用滑移網格（mesh motion）模型，風力機勻速轉動，轉速為1.27rad/s，模擬過程中每個時間步長為0.025s。

2 模擬結果

2.1 風力發電機尾流模擬結果

查看15m/s 入流風速條件下風力機輪轂高度水平面、穿過風機輪轂中心垂直面的速度云圖可發現，氣流經過風機后產生的速度減小的尾跡主要表現為沿軸向發展，在徑向上速度減小的尾跡區域主要集中在風輪直徑范圍內。在軸向上，氣流在經過第一臺風機時風速產生劇烈的變化，隨后風速有所恢復，在遇到第2臺風機后風速再次減小，隨后隨著遠離風機速度開始緩慢恢復，但速度無法恢復至穿越風機前的大小。在軸向上，流體經過第二臺風機后速度減小程度明顯大于經過第一臺風機后的減小值，說明流體中的部分動能通過風機轉化為電能。

為分析風機下游不同位置處風速變化的具體數值，對垂直于風輪平面，位于風輪圓心（輪轂中心）、風輪0.5R（R 為風輪半徑、下同）、1.25R 處3條直線上風速值進行對比（圖3中分別為藍、紅、綠線），從中可看出：位于葉輪半徑外（1.25R）的直線上風速基本保持不變，可見風輪轉動對位于風輪半徑以外區域影響很小；對位于葉輪半徑內的2條直線上的風速，流體在穿過風輪時趨勢都是速度先急劇減小，然后隨著流體遠離風機速度開始回升，速度的回升的速率與距風機的距離成反比。

由于輸電線路具有導線輕柔、對風荷載敏感的特點，對于穿越風電場輸電線線路的線路，需分析風電發電機尾流中湍流強度的變化特征。根據GB/T18710-2002《風電場風能資源評估方法》，湍流強度在0.1或以下表述湍流較小，湍流強度在0.10～0.25為中等程度的湍流，湍流強度高于0.25表示湍流過大。從風機輪轂高度水平面湍流強度的云圖中可看出，流體在穿過風輪后，風機下游的湍流強度有了明顯的增大，其中湍流強度大于0.25的區域主要位于風機下游400m 范圍內。

圖3 風力輪轂高度處不同位置處風速

圖4 離地50m 高度處不同位置處風速

2.2 輸電鐵塔尾流模擬結果

從離地50m 高水平面的速度云圖可看出，氣流在經過鐵塔后速度有所減小，在鐵塔附近減小很明顯，隨著遠離鐵塔，速度有所恢復。選擇平面上速度變化最劇烈的一條垂直于鐵塔平面的直線來研究速度的變化，從圖4可看出氣流在遇到鐵塔前速度開始減小，穿過鐵塔時速度變幅最大，減小至2m/s，穿過鐵塔后隨著遠離鐵塔速度開始回升，在鐵塔下游100m 處速度已恢復至13.9m/s，隨后速度恢復變得緩慢，鐵塔下游400m 處速度恢復至14.4m/s。

在風電場設計中需要考慮風電場區域湍流強度大小，因此對輸電鐵塔尾流區湍流強度進行分析。從離地50m 高水平面湍流強度的云圖中可看出，氣流經過鐵塔后湍流強度有所增大，在鐵塔下游100m范圍內為湍流過大區，100～200m 范圍內為中等湍流區，200m 以外區域為較小湍流區。

3 結語

本文通過利用fluent 軟件進行數值模擬來研究風力發電機和輸電鐵塔尾流區速度和湍流變化特征，主要結論如下：流體經過風機后產生的速度減小的尾跡主要表現為沿軸向發展，在徑向上速度減小的尾跡區域主要集中在風輪直徑范圍內。風機尾流效應會導致沿風機軸向下游方的風速減小，風速減小值最大達入流風速的13%，隨著風機軸向下游遠離風機，風速減弱得到一定的恢復，但風速仍小于入流風速。流體在穿過風輪后風機下游的湍流強度有了明顯的增大，其中湍流強度大于0.25的區域主要位于風機下游400m 范圍內；數值模擬研究表明，氣流經過輸電鐵塔后，在鐵塔下游會引起風速的減小和湍流強度的增大，而湍流強度增大將使得風力機發電量減小。風機布置除考慮安全距離外還應盡量遠離線路鐵塔，提高輪轂高度，以降低線路鐵塔對風機安全性和發電量的影響。