風電場多尺度流動模擬和數學模型

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究方法 4
1.1.1 風電場實測 4
1.1.2 風洞實驗 4
1.1.3 CFD數值模擬 5
1.1.4 數學模型 8
1.2 風電機組尾流解析模型研究進展 8
1.2.1 基于質量守恒的尾流解析模型 8
1.2.2 基于動量定理的尾流解析模型 10
1.2.3 現存不足和待研究的問題 11
1.3 風電場邊界層模型研究進展 11
1.3.1 風電場邊界層模型 11
1.3.2 風電場邊界層模型的應用 12
1.3.3 現存不足和待研究的問題 12
1.4 風電場偏航協(xié)同控制研究進展 13
1.4.1 串列風電機組偏航協(xié)同控制研究進展 13
1.4.2 陣列風電機組偏航協(xié)同控制研究進展 15
1.4.3 現存不足和待研究的問題 16
1.5 城市風電與城市街區(qū)的相互影響研究進展 16
1.5.1 城市中的風力發(fā)電機 16
1.5.2 城市大氣流動相關研究進展 18
1.5.3 現存不足和待研究的問題 20
本章小結 20
參考文獻 21
第2章 大渦模擬方法 31
2.1 大渦模擬方法介紹 31
2.1.1 控制方程 31
2.1.2 拉格朗日動力模型 32
2.1.3 邊界條件 34
2.1.4 風電機組模型 36
2.1.5 數值求解方法 39
2.2 大渦模擬方法驗證 41
2.3 單臺風電機組尾流的大渦模擬研究 42
2.3.1 算例設置 42
2.3.2 尾流演化過程分析 44
2.3.3 小結 51
2.4 偏航風電機組尾流的大渦模擬研究 51
2.4.1 算例設置 51
2.4.2 不同偏航角下風電機組的尾流演化過程 52
2.4.3 小結 59
本章小結 59
參考文獻 59
第3章 基于動量定理的尾流二維解析模型 62
3.1 引言 62
3.2 基于動量定理的經典尾流模型 62
3.2.1 一維尾流模型 62
3.2.2 二維尾流模型 63
3.2.3 模型存在的問題 65
3.3 MTG模型 65
3.3.1 真實尾流邊界的確定 66
3.3.2 J值的確定 69
3.3.3 與BP模型的對比 71
3.4 模型驗證 73
3.4.1 激光雷達測風實驗 73
3.4.2 GH風洞實驗 75
3.4.3 EWTW風電場實測實驗 77
3.4.4 高粗糙度風洞實驗 79
本章小結 80
參考文獻 81
第4章 基于質量守恒的尾流二維解析模型 83
4.1 引言 83
4.2 基于質量守恒的經典尾流模型 83
4.3 MCG模型 86
4.3.1 壓力恢復區(qū)的速度損失 87
4.3.2 遠場尾流區(qū)的速度損失 89
4.3.3 尾流線性膨脹模型 90
4.4 近場尾流區(qū)的改進 91
4.5 模型驗證 93
4.5.1 大渦模擬仿真 93
4.5.2 TNO風洞實驗 95
4.5.3 甘肅雷達測風實驗 96
4.5.4 Sexbierum陸上風電場實測實驗 97
4.6 與動量定理模型的對比 99
本章小結 100
參考文獻 101
第5章 風電場邊界層模型 103
5.1 引言 103
5.2 經典的風電場邊界層模型 103
5.3 不同間距特征的風電場大渦模擬研究 106
5.3.1 算例設置 106
5.3.2 不同間距特征風電場的流場分析 108
5.3.3 不同間距特征風電場的邊界層結構分析 110
5.3.4 風電場尾流層的流動不均勻分析 111
5.4 風電場邊界層模型 113
5.4.1 考慮流動不均勻的風電場邊界層模型 113
5.4.2 改進的R-Jensen尾流模型 116
5.4.3 耦合模型 119
5.5 計算結果分析 121
5.5.1 模型驗證 121
5.5.2 尾流模型的敏感性分析 124
5.5.3 地面粗糙度的影響 125
5.6 實際風電場功率預測 126
5.6.1 考慮入口效應的尾流邊界層模型 127
5.6.2 功率預測結果分析 128
5.7 風電場邊界層湍流統(tǒng)計量的預測模型 129
5.7.1 風電場邊界層流向和展向脈動速度分布規(guī)律 129
5.7.2 風電場邊界層垂向動量通量的變化規(guī)律 131
5.7.3 風電場邊界層湍流統(tǒng)計量預測模型 133
本章小結 135
參考文獻 136
第6章 單列風電機組的偏航協(xié)同控制 138
6.1 引言 138
6.2 串列風電機組偏航協(xié)同控制優(yōu)化方法 138
6.2.1 偏航尾流模型 138
6.2.2 速度疊加模型及功率計算 141
6.2.3 優(yōu)化算法與流程 142
6.3 控制策略 143
6.3.1 優(yōu)化空間的簡化 143
6.3.2 確定偏航角的廣義公式 145
6.4 數值驗證 150
本章小結 153
參考文獻 154
第7章 風電場整場功率優(yōu)化協(xié)同控制 156
7.1 引言 156
7.2 風電場協(xié)同控制優(yōu)化方法 156
7.3 實際風電場的偏航協(xié)同控制 159
7.3.1 優(yōu)化結果分析 160
7.3.2 優(yōu)化方案分析 164
7.4 基于推力分配的功率協(xié)同控制 165
7.4.1 優(yōu)化方法 165
7.4.2 優(yōu)化結果 166
7.5 推力分配與偏航相結合的功率協(xié)同控制 168
7.5.1 優(yōu)化方法 168
7.5.2 優(yōu)化結果 168
7.5.3 三種協(xié)同控制方法的對比 169
本章小結 170
參考文獻 170
第8章 城市街區(qū)與中型風電機組的相互作用 171
8.1 引言 171
8.2 算例設置 171
8.3 街區(qū)作用下風電機組的尾流演化 172
8.3.1 風電機組尾流形態(tài) 172
8.3.2 風電機組尾流演化機理 175
8.4 風電機組對街區(qū)風環(huán)境的影響 179
8.4.1 街區(qū)中速度分布 179
8.4.2 街區(qū)中湍流度分布 181
本章小結 182
參考文獻 183
第9章 屋頂小型風電機組與城市街區(qū)的相互作用 184
9.1 引言 184
9.2 算例設置 184
9.3 城市街區(qū)周圍的風資源特性 186
9.3.1 速度分布 186
9.3.2 湍流度分布 188
9.4 屋頂風電機組發(fā)電特性 190
9.4.1 功率輸出特性 190
9.4.2 功率波動特性 194
9.5 屋頂風電機組對街區(qū)風環(huán)境的影響 195
9.5.1 速度影響 195
9.5.2 湍流度影響 197
本章小結 197
參考文獻 198