基于LBM耦合致动理论的风电场群汇聚效应计算方法及机理研究

Currently installed wind farms show clustering phenomenon with larger scale. The clustering effect of mesoscale wind farm clusters appear to affect wind energy efficiency. Investigation on flow mechanisms of wind farm clustering effect is an urgent task for wind farm developer. Power generation from wind farm clusters need to be studied and an optimization method based on wind farm clustering effect. The proposed project will focus on the mechanisms of mesoscale wind farm clustering effect, and develop the numerical calculation method for mid-scale wind farm cluster with large-scale and complex unsteady flow field. Firstly, considering the characteristic of complex unsteady flow in mesoscale wind farms, built the calculation model of LBM coupling with actuator theory, solve importantly the problem of flow parameters data transition and cross-scale mutation in coupling calculation for WRF, LBM and actuator theory, developed the high efficient and precise simulation method of multi-scale coupling based on the LBM. Then, simulated the wind farm cluster flow on the different wind conditional and clustering distance, study the development change mechanisms of whole wake for wind farm, obtained the velocity, turbulence kinetic energy for flow parameter distribution law. Based on these studies, finally explored the mechanisms of wind farm clustering effect and power produce effect, which will provide vital technical information and theoretical foundation for large-scale wind energy utilization and optimal layout for wind farm clusters.

目前风电场呈现汇聚现象和尺度变大的新特点，产生中尺度风电场群的汇聚效应，对风电场群的风能利用率有较大影响，因此探索风电场群的汇聚效应机理及其发电功率影响机制，是风电场在规模化发展和优化布局中亟需解决的重要问题。本项目将开展中尺度风电场群的汇聚效应机理研究，并开发大规模和复杂非定常流场的中尺度风电场群流场模拟平台。首先，建立考虑中尺度风电场非定常流场特性的LBM与致动理论耦合的计算模型，着重解决WRF、LBM和致动理论的耦合计算的流场参数信息传递和跨尺度参数突变问题，发展基于LBM方法的多尺度耦合的高效准确风电场群流场计算方法。然后，开展不同风况和不同汇聚距离的风电场群流场模拟，探究风电场整体尾流的发展演变机理，获得风电场群的速度、湍动能等流场参数的分布规律。在此基础上，最终揭示中尺度风电场群的汇聚效应机理及发电功率影响机制，可为风电场群优化布局和规模化发展提供重要的技术支持和奠定理论基础。

目前风电场呈现汇聚现象和尺度变大的新特点，产生中尺度风电场群的汇聚效应，对风电场群的风能利用率有较大影响，因此探索风电场群的汇聚效应机理及其发电功率影响机制，是风电场在规模化发展和优化布局中亟需解决的重要问题。本项目将开展中尺度风电场群的汇聚效应机理研究，并开发大规模和复杂非定常流场的中尺度风电场群流场模拟平台。主要研究内容是：建立考虑中尺度风电场非定常流场特性的LBM与致动理论耦合的计算模型，发展基于LBM方法的多尺度耦合的高效准确风电场群流场计算方法；开展不同风况和不同汇聚距离的风电场群流场模拟，探究风电场整体尾流的发展演变机理，获得风电场群的速度、湍动能等流场参数的分布规律。经过三年项目研究，主要结果：首先，基于LBM方法，实现了致动理论耦合LBM方法的风力机和风电场流场数值模拟，其中把湍流入口模型、流场湍流LES模型等耦合进LBM整体方法中，最终搭建起高效高精度的风电场流场模拟和功率预测平台；然后，上下游风电场之间的距离对下游风电场功率影响较大，10D时减少12.37%，30D时恢复10.88%。结果表明，增大风电场间距可减小集群效应，提高风电场功率，建议间距为30D。在风电场的集群风格方面，方形和菱形布局组合可使整体功率提高0.44%。研究发现，与2个风力发电场相比，3个风力发电场的聚集效应更严重，中间风力发电场的功率下降最大。然而，错开中间风电场可以使风电场集群的整体功率提高0.43%。当三个风电场发生汇聚时，对第二个风电场进行错列布局，通过比较发现，受到第二个风电场偏移的影响，来流速度会朝着偏移方向产生一定的下降，所以处在尾流区中的风力机功率相比未发生偏移时，会发生下降，最终中间的风电场整体功率会下降。在此基础上，最终揭示中尺度风电场群的汇聚效应机理及发电功率影响机制，可为风电场群优化布局和规模化发展提供重要的技术支持和奠定理论基础。.

内容获取失败，请点击重试