由于气候变化、能源需求的日益增长以及化石能源的减少,清洁、可再生的风能日益受到人们的关注。在大型风电场中,大多数风机以阵列式紧密地集群运行,受建造成本的约束,不同风机之间的间距较小,无法避免风机之间的相互干扰。阵列风机产生的尾流效应以及尾流间的相互作用引起入流速度亏损和湍流度增加,引起下游风机功率输出的降低,同时使阵列中下游风机承受更高的气动载荷,研究这种风机间尾流干扰在设计有效的风电场时非常重要。通过合理手段,如错列布置风机,上游风机主动偏航控制以及桨距角控制,可以有效抑制风机间的尾流干扰,从而改善下游风机的功率输出和气动载荷。因此,研究多风机尾流干扰抑制策略,有助于控制上游风机尾流的作用范围,为降低风机间的尾流干扰以及优化功率输出提供可靠的帮助。本论文基于致动线模型,利用实验室自主开发的固定式风场求解器FXWFSJTU对多风机风电场的尾流发展进行数值模拟,研究风机偏航角和桨距角对上下游风机气动功率以及风机间尾流干扰的影响。首先利用FXWF-SJTU求解器对错列布置双风机进行模拟计算,通过调节风机叶片转速实现对风机叶尖速比的改变,对下游风机处于3种不同叶尖速比的两风机系统进行数值模拟。将数值结果与“Blind Test 3”实验以及其他模拟方法的结果进行对比,验证求解器在风电场气动输出和尾流发展模拟上的可靠性和准确性。继而,针对上游风机的偏航角控制和桨距角控制,对两风机风电场的尾流抑制策略进行详细的数值模拟。对比分析当上游风机偏航角度或桨距角改变时,上下游风机气动功率的输出特性变化,尾流速度变化以及风机尾涡结构的改变。数值模拟结果表明:在风机沿纵向间距不变时,随着上游风机偏航角度或桨距角的变化,上下游风机的尾流干扰现象以及下游风机的入流条件会发生明显改变。存在最佳的偏航角和桨距角,使风电场整体的发电效率最优化。最后,对阵列布置的包含48台风机的Lillgrund风电场进行数值模拟,研究上游风机偏航角和桨距角对风电场的影响。通过改变Lillgrund风电场中第一排风机的偏航角或者桨距角,对风电场中风机的气动载荷进行详细的对比分析,并对大型风场的尾流相互叠加干扰导致的速度严重亏损以及湍流强度上升进行详细讨论。
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