基于CFD的風電場湍流強度計算研究與應用

　　中國風電材料設備網訊：摘　要：湍流強度是風電場風能資源評估中的重要參數，也是風電機組設計與選型的主要依據。本文介紹了多種計算湍流強度的方法，重點闡述了基于CFD 湍流模型的湍流強度計算方法，并利用Meteodyn WT 軟件的CFD 方法對某復雜地形風電場機位湍流強度進行計算，將結果與線性模型計算結果、實測數據進行對比分析。分析表明該方法模擬結果較好，對風電場風資源評估、微觀選址有較好的指導意義。
　　1.引言
　　隨著我國能源結構調整，加快可再生能源發展、改善環境的能源發展戰略逐步實施，風力發電產業在建設資源節約、環境友好型社會的大環境下得到長足發展，風電裝機容量正在快速增長。截止2012 年底我國風電累計裝機容量為75.32GW，按照全國風電可裝機容量1000GW計算，已開發容量不到可裝機量的10%，風電開發大有前景。但由于我國傳統的風資源豐富地區（“三北”地區）電網消納原因，存在很多棄風限電現象，這些地區風電發展速度放緩，而中南、西南地區由于處于電力負荷消納終端，故近年來這些地區山地風電場悄然興起。
　　風電項目開發中，選擇合適的機型和確保機組安全性是影響風電場收益的主要因素，其中湍流強度是機組選型和安全性評估的一個很重要的參數，特別是在地形復雜的山地風電場尤為突出。湍流強度與風自身特性、地形、地貌、障礙物等因素息息相關，而在風電場設計中，機位湍流強度往往是較為忽視的參數，對后續風電場發電量收益以及機組安全性產生了隱患。因此湍流強度計算與評估的準確性也是評判建設風電場成敗的關鍵指標之一。
　　在風電場前期風能資源評估、風電后評估工作中，以前大多借助丹麥RisΦ 國家實驗室開發的WAsP商業化軟件，該軟件適用于平坦而簡單的地形，對復雜地形具有局限性[2]。我國中南、西南部地區多為地形復雜的丘陵山地，同等條件下，山地海拔越高，風能資源相對越豐富，隨著風電產業的蓬勃發展，很多山地風電場相繼開發并投產發電，對山地風電場湍流強度的準確評估成為重要的課題。本文采用基于CFD計算原理的軟件—Meteodyn WT 以及基于線性模型的WAsP 軟件對某復雜地形風電場湍流強度進行仿真計算，并將計算結果與實測數據進行對比分析，為以后風電場進行更合理的機組選型以及校核風力發電機組適用性提供參考。
　　2. 湍流強度與湍流數值模擬方法
　　湍流流動是自然界和工程中最普遍存在的流體運動，在多數工程問題中流體的流動往往處于湍流狀態。大氣運動就是一種典型的湍流流動，湍流流動是一種隨機的過程，可以用數理統計的方法來研究，簡單來說，大氣運動過程中，湍流就是短時間（一般少于10 分鐘）內的風速波動，如圖1 所示，U(t)=U+ u’(t)[3]，其中U(t) 為瞬時風速，U 為統計時間段平均風速值，u’(t) 為湍流脈動風速。湍流脈動風的統計特性包括湍流強度、湍流尺度、功率譜密度、陣風系數等，其中在風電行業中湍流強度是個非常重要的參數。

　　湍流產生的原因主要有兩個：一個是當氣流流動時，由于地形差異（例如山峰）造成的與地表的“摩擦”；另一個是由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應空氣團垂直運動。湍流將引起風電機組的振動和載荷的變化，影響風電機組使用壽命和安全運行。