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基于等效粗糙度模型的大型风电场尾流数值模拟框架
A Numerical Simulation Framework for Wakes Downstream of Large Wind Farms Based on Equivalent Roughness Model
1. 主要摘要
本文提出了一种基于风电场等效粗糙度模型的数值模拟框架，以提升对大型风电场尾流效应的评估精度，特别是针对多个风电场集群带来的尾流损耗问题。该框架利用开源软件OpenFOAM并结合高保真大涡模拟（LES）来进行模拟，避免了传统方法中细化网格的计算负担。通过32种风电场布局、风机间距、推力系数及地表粗糙度的模拟，验证了此方法的可靠性，结果显示该框架对尾流速度衰减及湍流强度的预测精度相比经典叠加模型提升了30%以上，且显著降低了计算成本。
2. 引言
随着全球对可再生能源的需求增加，风电场的大规模建设尤为重要。然而，当多个风电场紧密布置时，尾流效应将影响下游风电场的风速和功率输出。本文针对当前数值模拟方法在精度和简易性上的不足，提出了一种基于等效粗糙度的风电场参数化模型，用于评估风电场集群的尾流效应，并优化风电场布局。
3. 主要内容
1.数值模拟方法概述
本文的数值模拟框架基于高保真大涡模拟（LES）方法，以捕捉风电场尾流的细微流动特性。采用开源CFD软件OpenFOAM中的SOWFA模块进行模拟，SOWFA专为风电场尾流和湍流流动设计，支持复杂大气条件下的风电场流场分析。该研究中，风电场尾流被参数化为等效粗糙度模型，绕过传统方法对风机叶片的细网格解析，通过将风电场视为地表的一个粗糙度层，减少了对计算网格的精细需求。在LES中，采用拉格朗日尺度动态Smagorinsky模型作为湍流模型，允许模型根据局部条件自适应调整参数，增强了对复杂流场的模拟能力。
2.等效粗糙度模型的原理及实现
为了简化对大规模风电场的模拟，该研究采用了等效粗糙度模型，将风电场内的风机参数化为地表粗糙度的增加量。该模型通过壁面应力模型引入到SOWFA中，以此在不精确解析每个风轮的前提下，模拟风电场对大气边界层的整体影响。等效粗糙度长度的计算涉及风机间距、推力系数、地表粗糙度等因素，并通过模型参数化获得。该模型参考了Lettau、Frandsen、Calaf等多种粗糙度计算模型，并基于最新研究成果进一步调整模型参数，以增强其适用于不同风电场布局的灵活性。
3.LES模型与等效粗糙度模型的比较与验证
本研究通过32组不同风电场参数配置，包括纵向、横向风机间距，推力系数及地表粗糙度，系统验证了等效粗糙度模型的有效性和适用性。这些实验包括跨越整个计算域的无限风电场和边界受限的有限风电场，研究结果表明，等效粗糙度模型对尾流速度衰减和湍流强度的预测精度相较于经典尾流叠加模型提升明显，特别是在尾流远场区域，误差保持在1%以内。相比传统方法，LES中的每台风机需单独解析的计算量显著减少，采用等效粗糙度模型的框架不仅精度更高，且能节省超过一半的计算时间。
4.有限风电场和无限风电场下的尾流效应
在有限风电场和无限风电场的配置下，等效粗糙度模型均展现出良好的尾流恢复预测效果。在无限风电场中，横向边界采用周期性条件，排除了横向尺度对尾流扩展的影响。结果显示，等效粗糙度模型在距离风电场约2公里后对速度衰减的预测与传统LES模型吻合，预测误差小于1%。对于有限风电场，等效粗糙度模型在下游的尾流速度衰减和湍流强度预测上较叠加模型提高了20%左右，且其计算的尾流长度和恢复速率更接近实际。
5.湍流强度分析与模型的局限性
湍流强度的模拟是衡量风电场尾流影响的重要指标。在不同下游位置测得的湍流强度显示，等效粗糙度模型在远尾流区域（距离风电场超过3公里）与高精度的LES-ADM模型结果一致。然而在风电场上方区域，LES-ERM模型的湍流强度略低于实际。进一步分析表明，这一差异主要由于LES-ERM未解析每台风机的细节，其对风电场边界层内动量传递的影响低估。因此在近场（距离风电场较近）的湍流模拟中，等效粗糙度模型的湍流强度预测稍低于实际值，但在远场区具有较高的适用性。
6.框架的适用性与未来发展方向
本框架基于等效粗糙度模型，适用于平坦地形和大型海上风电场布局。相比传统的尾流叠加方法，本框架在精度上有显著提升，且计算效率更高，适合于工程设计应用中大规模风电场的尾流预测。然而，在复杂地形上或风电场布局特别不规则的情况下，等效粗糙度模型可能会出现一定的误差。未来研究可以进一步优化粗糙度模型的参数，或结合其他地形适应性较强的参数化方法，以提升该框架的适用范围和预测准确性。
4. 主要结论
通过避免对单个风机的精细网格解析，等效粗糙度模型显著减少了计算成本，使其在大规模风电场布局优化中具有实际应用价值。
本框架适合应用于平坦地形上的风电场，如海上风电场，但在复杂地形上可能存在一定误差。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
