吳正人靳超然李 非劉維維

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院,河北保定 071003)

風(fēng)力機對大氣邊界層近地層影響的數(shù)值模擬

吳正人*,靳超然,李 非,劉維維

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院,河北保定 071003)

為研究風(fēng)力機運行對大氣邊界層近地層的潛在影響,采用Gambit軟件建立風(fēng)力機及風(fēng)場模型,應(yīng)用UDF加載邊界層速度分布函數(shù)作為流場入口邊界條件,基于尾流特性及湍流理論,應(yīng)用Fluent軟件模擬單臺風(fēng)力機運行對大氣邊界層近地層的影響,通過分析風(fēng)力機下游不同位置處的速度及湍動能以及其隨高度的變化情況來進行分析研究。模擬結(jié)果表明風(fēng)力機的運行會造成近地層內(nèi)原本均勻分布的大氣流場發(fā)生明顯變化。與初始速度分布相比,流體流經(jīng)風(fēng)力機后,輪轂處風(fēng)速迅速降低,隨后逐漸增加,但隨著向下游的延伸,速度增加的梯度逐漸降低,且在距離風(fēng)力機17倍風(fēng)輪直徑后仍未增至來流速度;在豎直方向上速度分布呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,但在風(fēng)輪位置處明顯下降,隨著空氣繼續(xù)向后流動,影響面積在擴大,但是趨勢逐漸變緩。同時湍動能也發(fā)生較大變化,在近風(fēng)輪處,由于輪轂區(qū)域的風(fēng)速與周邊的風(fēng)速存在較大差異,所以造成近風(fēng)輪處的湍動能迅速增大,隨著流體向下游的延伸,與周邊流體逐漸混合擴散,湍動能逐漸降低;湍動能在豎直高度上的分布在近尾跡區(qū)呈現(xiàn)出由地面至高空先減小后增大,再減小再增大的趨勢;而遠尾跡區(qū)域則先減后增,不過在到達一定高度后幾乎都不再變化。由于大氣各種通量的變化等也與風(fēng)速、湍動能相關(guān),所以風(fēng)力機會對對其周邊環(huán)境造成影響而不僅僅局限于近地層的風(fēng)速、湍動能。

風(fēng)力機;大氣邊界層;數(shù)值模擬;風(fēng)速;湍動能;尾流流場;風(fēng)能

0 引 言

大氣邊界層近地層是大氣邊界層中緊接地面的一層,是人類賴以生存和活動的地方。地球與大氣的相互影響主要是通過近地層進行的[1]。風(fēng)力機在利用風(fēng)能的同時,改變了大氣循環(huán),使大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)速降低、湍流強度增高。且大氣邊界層內(nèi)湍流引起的各種物理量的交換和輸送會改變局地能量分布和水汽交換,使空氣溫度、濕度等發(fā)生變化,進而可能會改變某些環(huán)境物理參數(shù)[2]。所以研究風(fēng)力機對邊界層近地層的影響,對風(fēng)電場周邊的環(huán)境變化研究有一定的意義。

胡菊[3]利用區(qū)域氣候模式(Regional Climate Model 4.1,RegCM4.1)對酒泉千萬千瓦基地的大型風(fēng)電場長期氣候效應(yīng)進行了模擬研究,得出大型風(fēng)電場建設(shè)30年邊界層內(nèi)溫度、濕度等的變化特征。Roy等[4]應(yīng)用區(qū)域大氣模擬系統(tǒng)(Regional Atmospheric Modeling System,RAMS)研究風(fēng)電場對當(dāng)?shù)厮臍庀蟮臐撛谧饔?結(jié)果證明風(fēng)電場會對大氣動力學(xué)等產(chǎn)生相應(yīng)影響。PortéAgel[5-6]及Abkar[7-8]對整個風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)的大氣邊界層流動進行了大渦模擬,分別采用不同的模型來研究風(fēng)力機對大氣邊界層的影響。Wang等[9]利用全球氣候模式(Community Climate Model Version 3,CCM3)進行模擬實驗,結(jié)果表明風(fēng)電場增加了近地層動量的拖曳作用并且降低了風(fēng)速,也加強了地表與大氣之間的熱濕交換。Adams[10]認為風(fēng)電場阻礙風(fēng)的流動,對風(fēng)施加了額外的拖曳阻力,通過在其尾跡中產(chǎn)生湍流、降低風(fēng)速等方式改變大氣邊界層,使地表通量、熱濕對流等發(fā)生變化,進而對氣候產(chǎn)生間接影響。Zhang等[11]通過風(fēng)洞實驗得出結(jié)論:盡管整體上風(fēng)電場所引起的表面熱通量變化較小,但是由此造成的不均勻的空間擾動卻非常明顯,這可能會影響到大氣與地面之間動量、熱量及水汽的傳遞運輸。類似相關(guān)研究[12-14]也證明風(fēng)電場可能會使其周邊地區(qū)的環(huán)境氣候發(fā)生變化。

計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)是研究風(fēng)力機較常用的方法,通常用于風(fēng)力機水平方向的尾流流場分析及氣動性能模擬等[15-16]。將CFD應(yīng)用于大氣邊界層的模擬研究也較常見。但是通過CFD將兩者結(jié)合,研究風(fēng)力機運行對近地層影響的文獻較少。本文采用FLUENT對單臺風(fēng)力機近地層的流場進行數(shù)值模擬,從不同的高度上分析兩個基本參數(shù)即流速和湍動能的變化情況,為研究風(fēng)電場引起的潛在環(huán)境影響提供指導(dǎo)。

1 計算模型及網(wǎng)格處理

1.1 幾何模型

利用葉素-動量理論在GAMBIT中建立1.2 MW風(fēng)力機模型,風(fēng)力機參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)力機設(shè)計的基本參數(shù)Table 1 Basic design parameters of wind turbine

旋轉(zhuǎn)流場是包含葉片在內(nèi)的扁圓盤,由于主要考慮風(fēng)力機下游的邊界層近地層的流場變化情況,故忽略塔架的影響,整體流場區(qū)域是包含扁圓盤在內(nèi)的整個流場。將整體區(qū)域簡化為長方體狀,流向沿z軸,風(fēng)力機平面平行于xy平面,模型長寬高分別為1200 m×300 m×300 m,風(fēng)力機葉輪位于入口后3d處,d為風(fēng)輪直徑,以保證來流到達葉輪時已充分發(fā)展,模型如圖1所示。

圖1 整體流場區(qū)域尺寸Fig.1 Size of the whole flow field

1.2 網(wǎng)格劃分

針對上述建好的模型進行網(wǎng)格劃分,采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,應(yīng)用尺寸函數(shù)對葉片、輪轂表面進行局部加密處理,流場部分采用相對較稀疏的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。通過比較3種網(wǎng)格數(shù)量的模擬結(jié)果來驗證網(wǎng)格無關(guān)性,以輪轂中心線上的湍動能(TKE)變化為參考,網(wǎng)格無關(guān)性驗證如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.2 Grid independence calculation

因此,考慮到計算時間及計算精度,選用418萬的網(wǎng)格模型進行計算,網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 內(nèi)部及外部流場區(qū)域的網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid distribution of the internal and external flow field

1.3 邊界條件

進口:邊界層近地層速度分布遵循大氣邊界層指數(shù)方程。在我國,地貌按照地表粗糙度分為A、B、C、D四類[17],不同的地貌類型對應(yīng)著不同的地表粗糙度指數(shù)及風(fēng)速廓線。本文針對A類地貌進行模擬,應(yīng)用用戶自定義函數(shù)(User-Defined Function, UDF)編譯風(fēng)速廓線。A類地貌對應(yīng)的邊界層指數(shù)方程即入口速度邊界條件為:

入口湍流邊界條件:采用經(jīng)常使用的湍動能k與比耗散率ω的一組湍流參數(shù),湍動能取值為1,比耗散率取值為1。通過公式計算在風(fēng)力機輪轂高度處的湍流強度為7%,湍流粘性系數(shù)為1.2。

出口:自由出流,邊界條件為outflow。

葉片及輪轂:采用無滑移邊界條件,設(shè)為旋轉(zhuǎn)固體壁面wall。

流場底面:無滑移邊界條件,固體壁面wall,A類地形所對應(yīng)的地表粗糙高度為0.01 m。

流場側(cè)面及頂面:對稱邊界條件,模型頂部大氣邊界設(shè)置為零滑移壁面的對稱邊界,即symmetry。

選擇旋轉(zhuǎn)坐標系對風(fēng)輪進行模擬,采用MRF (Multiple Reference Frame Model)模型,風(fēng)力機勻速轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速為19.27 r/min,風(fēng)力機周邊流體以相同的角速度旋轉(zhuǎn),其余流場靜止。

由于風(fēng)力機在低雷諾數(shù)下運行,馬赫數(shù)也相對較低,故將模型簡化為三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮空氣流動,流動過程與外界無換熱(即不考慮能量方程)。采用Segregated隱式求解器,應(yīng)用SST k-ω紊流模型,基于定常雷諾時均N-S方程(RANS)進行數(shù)值模擬,即用連續(xù)方程和動量方程來描述。速度與壓力之間的耦合采用SIMPLIC算法實現(xiàn),應(yīng)用有限體積法對控制方程進行離散,對流項差分格式采用二階迎風(fēng)格式,計算收斂標準為連續(xù)方程的無量綱殘差和所有變量降到1×10-3以下。

1.4 模擬方法驗證

為了驗證數(shù)值模擬的正確性,將下游距離風(fēng)力機6倍直徑距離處的風(fēng)力機尾流區(qū)速度剖面與風(fēng)洞實驗結(jié)果進行對比,如圖4所示。由圖4可知模擬結(jié)果在一定程度上與風(fēng)洞實驗相似,且Helmis[18]等學(xué)者曾指出風(fēng)洞實驗過高的預(yù)估了近尾流區(qū)的尾流效應(yīng),分析結(jié)果使風(fēng)輪中心的速度虧損較大,所以在本文的模擬速度的計算結(jié)果要比實驗結(jié)果略偏大。

圖4 CFD模擬的尾流區(qū)域速度剖面與風(fēng)洞實驗計算結(jié)果比較圖Fig.4 Comparison between the velocity profiles from the CFD simulation and the wind tunnel experiment

2 計算結(jié)果與分析

大氣邊界層近地層的主要特點是速度分布的規(guī)律性及運動的湍流特性,湍流交換過程決定了各種變量的分布及變化情況。所以從下游不同距離處速度和湍動能沿高度的變化情況來加以分析。

2.1 速度分布

氣流經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機后,由于風(fēng)力機對來流的阻礙作用,使得下游流場發(fā)生很大變化。位于風(fēng)輪后不同距離處的xy平面的速度分布云圖如圖5所示。

圖5 不同截面上的速度云圖Fig.5 Contours of velocity magnitude on different sections

從圖5中可見,每個截面的尾流狀態(tài)都與風(fēng)輪的外形輪廓相似,尤其是近風(fēng)輪區(qū)域,輪轂周圍風(fēng)速明顯下降。隨著空氣繼續(xù)向后流動,影響的面積在擴大,但是趨勢逐漸變緩,不同距離處與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面相同高度處的速度變化速率逐漸變小,速度分布逐漸趨于來流速度分布情況,輪轂軸線高度處的速度逐漸增加,但直至流場出口即距離風(fēng)力機葉輪17d后,其速度仍低于相同高度處的來流速度。下游不同距離處速度隨高度的變化的具體數(shù)值如表2所示。

表2 風(fēng)力機下游不同截面不同高度處的風(fēng)速(單位:m/s)Table 2 Wind speed at different height on different sections of the wind turbine downstream(unit:m/s)

從表2中可以看出,在同一高度處,40 m、60m處的速度均隨距離的增加而增加,其他高度處的速度分布則不明顯。在距離風(fēng)力機同一位置處,除2d外,其它處的速度大體上隨高度的增加而增加,具體中心線上速度變化情況如圖6所示。

圖6 下游不同距離處的風(fēng)速的豎直分布圖Fig.6 Diagram of the vertical profiles of wind speed at different height of different sections of downstream

圖6表明,入口的速度分布情況符合采用的大氣邊界層函數(shù)公式。通過對比在風(fēng)輪下游2d、6d、10d、14d、17d位置處中心線上不同高度的速度變化情況可以更加明顯的看出:經(jīng)過輪轂后,中心速度有很大的衰減;在輪轂以下,速度衰減得較快,所以此處也是最易出現(xiàn)漩渦的區(qū)域;輪轂以上高度雖然也有衰減,但是因為來流速度隨高度的增加而增加,所以輪轂上部速度高于下部,因此輪轂上部分與下部分相比,衰減幅度略小。隨著空氣向下游的流動,低空低速氣流與高空高速氣流混合,風(fēng)力機尾流區(qū)域與其周邊區(qū)域的氣流混合,使尾流的速度隨距離的增大緩慢增加,但直至出口處仍然未達到來流速度。

2.2 湍動能分布情況

湍動能是湍流強度的度量,是微氣象學(xué)中的一個重要變量。湍流是始終占據(jù)邊界層主導(dǎo)地位的流動,邊界層內(nèi)的氣象要素的時空分布是湍流運動的直接結(jié)果。而由于風(fēng)力機的運行攪動氣流,在尾跡中產(chǎn)生湍流。模型的湍動能的模擬數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 風(fēng)力機下游不同高度處的湍動能(單位:m2/s2)Table 3 Turbulent kinetic energy at different height on different sections of the wind turbine downstream(unit:m2/s2)

從表3中可以看出距離風(fēng)力機不同距離處的湍動能沿豎直方向的分布情況。湍動能的變化情況可以分為兩個區(qū)域分別進行討論。在近尾流區(qū)域,湍動能變化較為劇烈。而在遠尾流區(qū)域,湍動能由地面先減小直至葉輪底部,而后緩慢增加直至葉輪頂部偏上部位后幾乎不再變化,具體變化情況如圖7所示。

圖7 下游不同距離處湍動能的豎直分布圖Fig.7 Diagram of the vertical profiles of turbulent kinetic energy at different height on different sections downstream

圖7為風(fēng)力機葉輪下游不同位置處xy截面中心線上湍動能沿豎直方向的分布情況。從中圖7可以看出在與輪轂相同高度處,距離旋轉(zhuǎn)葉輪2d處的湍動能在豎直向上的分布受風(fēng)力機轉(zhuǎn)動的影響比更遠處要大的多,湍動能明顯分布不均勻,流場擾動非常強烈。這說明離旋轉(zhuǎn)葉輪越近,雖然軸向速度有很大的衰減,但是湍動能卻有很大的增加,因為輪轂處速度為0,輪轂周圍的氣體混合要更加劇烈,所以湍動能較高。隨著向下游的延伸,相比于靠近葉輪處,湍動能受到葉輪轉(zhuǎn)動的影響逐漸降低,流動逐漸趨于緩和,所以在相同高度處,下游比上游湍動能要低。

在豎直方向上,由地面到旋轉(zhuǎn)葉輪底部的過程中,由于地表粗糙度不為0,故近地面的速度由0突然增大,所以地面處湍動能較大,向上則脫離地面,與空氣接觸,湍動能逐漸減小。直至達到葉輪底部葉尖附近,此時速度突然增大,湍動能隨之開始增強,而由底部葉尖到輪轂線速度則逐漸減小,但是由于與周圍氣流的混合攪動,相對于葉尖,輪轂處速度最低,混合越強,所以在輪轂高度處的湍動能也越大,混合也就越劇烈。同理,由輪轂中心至葉輪頂部葉尖附近,湍動能則逐漸降低。但是由于高空中的速度要遠大于低空中葉輪底部的速度,所以高空中葉輪頂部的湍動能要高于低空葉輪底部的湍動能。進而由于葉尖處的擾動作用,輪轂頂端再往上部分的湍動能要相應(yīng)的增大,直至一定高度后維持不變。

3 結(jié) 論

利用數(shù)值模擬軟件,結(jié)合大氣邊界層理論及風(fēng)力機尾流理論,通過設(shè)置的表粗糙度,加載邊界層內(nèi)速度分布函數(shù),針對單臺風(fēng)力機運行后對A類型地貌對應(yīng)的大氣邊界層近地層的影響進行模擬計算,分析后得出以下結(jié)論:

1)在靠近風(fēng)力機葉輪附近,葉輪中心軸向速度衰減最快;隨著尾流逐漸擴散,速度逐漸增加,但速度增加的速率逐漸變緩,尾跡范圍逐漸擴大。

2)由于風(fēng)輪的擾動作用,邊界層內(nèi)的湍動能也發(fā)生變化。近尾跡區(qū)域,由地面至高空,湍動能呈現(xiàn)出先減小后增大,再減小再增大的趨勢;遠尾跡區(qū)域則先減后增;但隨著向下游的延伸,湍動能逐漸降低且變化速率也逐漸降低。

3)經(jīng)過風(fēng)力機后,原本速度分布較規(guī)律的大氣邊界層近地層受到擾動,速度和湍動能均發(fā)生劇烈變化,且在下游距離風(fēng)輪17d的位置處仍未恢復(fù)到原來狀態(tài),而近地層的狀態(tài)影響著動量、熱量、水汽等的分布,決定著氣象要素的變化,所以風(fēng)力機對周邊環(huán)境的影響可能不僅僅局限在風(fēng)速和湍動能方面。

本文利用CFD模擬風(fēng)力機下游的大氣邊界層近地層的流動變化過程,從最基本的兩個參數(shù)進行分析,得到了風(fēng)力機下游近地層的速度和湍動能在不同距離處沿高度的變化規(guī)律,可以用于優(yōu)化風(fēng)能工程設(shè)計,同時對預(yù)測風(fēng)電場對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響等方面有一定的指導(dǎo)意義。

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Numerical simulation for influences of a wind turbine on surface-level of atmospheric boundary layer

Wu Zhengren*,Jin Chaoran,Li Fei,Liu Weiwei
(School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding071000,China)

For the study of potential influences of a wind turbine on the surface layer of atmospheric boundary layer,Gambit software was chosen to model the wind turbine and simulate the whole flow field.The velocity distribution function of the boundary layer was loaded by the UDF as the inlet boundary condition.Based on a wake model and combined with the turbulence theory,Fluent software was used to simulate the variable surface layer of the atmospheric boundary layer caused by the single wind turbine.By analyzing the characteristics of the velocity and the turbulent kinetic energy in the wind turbine downstream,the effect was investigated on the atmospheric boundary layer.The simulation results show that the uniform distribution of the flow in the atmospheric boundary layer is changed intensively by the operation of the wind turbine.Compared with the original velocity distribution,the wind speed reduces rapidly after pass the wind turbine and then increases gradually,but the increase rate decreases gradually,and the velocity at the distance of 17 times of the turbine diameter still can’t meet the initial speed. The velocity distribution in vertical direction presents a gradually increasing trend,but is significantly low in the rotor position.The influenced area downward expands,but the expansionis gradually slow.The turbulent kinetic energy also changes greatly at hub area,because of the wind speed of the hub area different from that in the surrounding.The airflow mixes with the surrounding fluid downstream,leading to that the turbulent kinetic energy gradually reduces. The turbulent kinetic energy no longer changes at a certain height.Due to the variety of various fluxes related to wind speed and turbulence kinetic energy,the influence of the wind turbine on the surrounding environment may not limit to the variety of the wind speed and the turbulence kinetic energy in the surface layer.

wind turbine;atmospheric boundary layer;numerical simulation;wind speed; turbulence kinetic energy;wake flow field;wind energy

V211.3;TK8

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0046

0258-1825(2016)06-0813-06

2015-04-23;

2015-09-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2015MS114)

吳正人*(1973-),男,遼寧普蘭店人,講師,研究方向:流體動力學(xué)理論及應(yīng)用.E-mail:zhengren_wu@163.com

吳正人,靳超然,李非,等.風(fēng)力機對大氣邊界層近地層影響的數(shù)值模擬[J].空氣動力學(xué)學(xué)報,2016,34(6):813-818.

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