摘要：風電場的數(shù)量和規(guī)模對大氣邊界層的氣象特性具有不可忽略的影響，作為重要的氣象參數(shù)，溫度層結(jié)是影響大氣流動及污染物擴散的重要因素之一。文章通過建立風力機及周圍流場模型，采用非穩(wěn)態(tài)大渦模擬方法結(jié)合大氣湍流理論，引入UDF函數(shù)對Fluent軟件進行了二次開發(fā)，加載大氣邊界層風速廓線，對風力機在不同溫度層結(jié)條件下對底層邊界層區(qū)域特性進行對比。

　　研究發(fā)現(xiàn)，在不同層結(jié)下溫度的變化不同：風力機運行在穩(wěn)定層結(jié)時，風力機近尾流區(qū)域的溫度較周圍區(qū)域有所升高，在50m高度處溫差達到最大，數(shù)值為0.465K;而不穩(wěn)定層結(jié)的情況卻是相反，在風力機近尾流區(qū)域的溫度較周圍的區(qū)域有所降低，但整體溫度變化沒有穩(wěn)定層結(jié)時明顯，最大溫差為0.281K。

　　關(guān)鍵詞：風力發(fā)電;大氣邊界層;溫度層結(jié);大渦模擬;風機尾流

　　0引言

　　隨著全球風電場的數(shù)量和規(guī)模的增加，探索風力機和大氣邊界層之間的相互作用，分析風力機的氣象影響顯得更為重要。大氣邊界層作為自由大氣和地表之間的緩沖地帶，是湍流的能源和能匯控制的區(qū)域[1]，主要物理過程就是湍流運動引起的各種物理量的湍流交換與運輸。

　　風電場位于大氣邊界層的近地層，其運行提取了風的動量，影響了大氣邊界層的湍流輸送特性[2]，風電場產(chǎn)生的能量效應及風力機產(chǎn)生的擾動及渦流影響，使得大氣邊界層與地表層之間的能量循環(huán)受到干擾，從而改變了當?shù)氐乃�文氣象和大氣動力[3]。而數(shù)值模擬的方法已成為評估大型風電場對大氣和氣象影響的主要分析手段[4]。

　　CalafM[5]利用大渦模擬研究大型風電場區(qū)域的邊界特征，利用致動盤模型等效風力機的影響作用，結(jié)果表明，風電場使得邊界層內(nèi)的通量及熱量增加，由于風電場中風力機之間的影響及其與大氣邊界層的相互作用，大氣邊界層的高度有所增加。HaoLu[6]模擬了不同陣列下的風電場，研究了風電場對大氣邊界層的對流效應，分析了地表溫度和熱通量的變化情況。

　　Walsh-ThomasJenelM[7]應用實驗觀測風電場及其周邊區(qū)域的遙感溫度數(shù)據(jù)，觀測出在風電場下游有連續(xù)的變暖趨勢，夜間近地面的空氣比幾十米的上空更為涼爽，通常有一個暖氣層覆蓋在地面冷氣層之上，形成穩(wěn)定的大氣，而由于風力機產(chǎn)生的氣體渦流的擾動，暖空氣下降致使地面升溫。Porté-AgelF[8]應用LES模擬了3種風力機模型，模擬結(jié)果顯示，風力機吸收了來流能量，對下游流動造成擾動，降低了當?shù)仫L速，并加強了豎直方向上的動量、熱量混合。

　　本文對1.5MW水平軸風力機進行模擬分析，采用非穩(wěn)態(tài)的大渦模擬的方法，加載大氣邊界層風廓線函數(shù)，以及大氣溫度層結(jié)函數(shù)，對風力機運行時對周圍底層大氣邊界層特性的影響進行研究，分析大氣邊界層風速和溫度在不同的溫度層結(jié)下的變化趨勢以及特征規(guī)律，為風電場的布局和微觀選址提供參考。

　　1風機建模及流場模擬設置

　　1.1幾何模型及網(wǎng)絡劃分

　　根據(jù)風力機設計參數(shù)，通過風力機葉片截面對應翼型的二維坐標，應用點的坐標變換原理將二維剖面坐標轉(zhuǎn)換為對應的三維實際坐標[9]，建立風力機的模型。1.5MW單臺風力機流場的計算域尺寸：Lz=1200m=20d，y=300m=5d，x=300m=5d(d為風輪直徑，d=60m)。流向沿Z軸，風力機平行于XY平面，輪轂高度為60m。為保證來流充分發(fā)展，將風力機布置在流場入口后3d距離處。

　　網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，將第一層網(wǎng)格高度設置為0.1mm，網(wǎng)格的法向增長率設置為1.5，利用尺寸函數(shù)對葉片表面進行網(wǎng)格加密。通過比較模型中心線上湍動能變化曲線來驗證網(wǎng)格的無關(guān)性。網(wǎng)格數(shù)分別為626萬、685萬和764萬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)目較大的兩個模型的計算結(jié)果接近，而數(shù)目較少的網(wǎng)格模型的計算結(jié)果有所偏差，所以選用685萬的網(wǎng)格模型進行計算。

　　1.2模擬條件設置

　　首先采用Fluent軟件中的SIMPLE算法進行模擬計算，對流項離散采用中心差分格式。為了達到更好的計算效果，同時為了加快收斂速度，首先進行穩(wěn)態(tài)計算，得到穩(wěn)態(tài)的初場，當殘差達到10-3后，再以此為基礎利用LES進行非穩(wěn)態(tài)計算。葉片旋轉(zhuǎn)一周所需時間為3.1136s，葉片每旋轉(zhuǎn)6°計算一次，對應的時間步長為0.0518s。

　　入口邊界條件設置為入口風速垂直分布和不同的溫度層結(jié)分布，采用自定義函數(shù)編譯風廓線及溫度函數(shù)。出口邊界條件為自由出流，風力機葉片所在的區(qū)域采用MovingMesh模型，在其旋轉(zhuǎn)的同時，風力機以額定轉(zhuǎn)速19.27r/min穩(wěn)定運行，風力機周圍小區(qū)域內(nèi)流體隨著葉片及輪轂共同以勻速旋轉(zhuǎn)，其余外部區(qū)域流場靜止。

　　1.3模擬方法驗證

　　將計算出來的數(shù)據(jù)進行處理，提取出風力機下游z=7d和z=10d的速度剖面(XY平面)，與文獻[10]的風洞實驗數(shù)據(jù)進行對比。通過對比分析可知，模擬結(jié)果與風洞實驗對風力機尾流的湍流特征的研究結(jié)果大致相似，在靠近風力機下游的近尾流區(qū)域，速度虧損比較嚴重，中心渦處的損失比較明顯，且影響的距離比較遠，風洞實驗的數(shù)值在一定程度上偏小，對于這種現(xiàn)象，曾有學者進行了研究，認為風洞實驗過高地評估了風力機尾流的作用。

　　2計算結(jié)果與分析

　　2.1風速的對比分析

　　在穩(wěn)定層結(jié)下和不穩(wěn)定層結(jié)下，尾流的中心渦都比較明顯，且尾流渦內(nèi)的速度虧損嚴重，同時中心渦的持續(xù)范圍較廣，延長到下游z=7d處還很明顯，葉尖渦的輪廓略顯微弱。由于不穩(wěn)定層結(jié)條件下大氣上層的溫度比大氣下層的溫度低，空氣的流動速率比穩(wěn)定層結(jié)時快，所以渦的分解較快，穩(wěn)定層結(jié)尾流在下游的影響距離要比不穩(wěn)定層結(jié)影響的范圍大。尾流對下游不同距離處運行的風力機的影響程度以及層結(jié)變化條件的對比，數(shù)據(jù)分析結(jié)果能夠為風力機運行提供參考。

　　近尾流區(qū)域的風廓線有較明顯的4個凸起，分別對應的是尾流的葉尖渦和中心渦，中心渦的存在使得速度虧損嚴重，速度的變化值可達5~7m/s，在穩(wěn)定層結(jié)下，由于大氣較為穩(wěn)定，速度較小，在近尾流區(qū)域速度變化為5m/s，而不穩(wěn)定層結(jié)情況下，速度變化較大，為7m/s。

　　隨著氣流向下游的延伸，在穩(wěn)定層結(jié)條件下，尾流影響深遠，速度較不穩(wěn)定層結(jié)條件恢復慢，直至下游15d，速度曲線還未完全恢復為開始的速度廓線。由上述分析可知，無論是在白天不穩(wěn)定層結(jié)下，還是夜間穩(wěn)定的層結(jié)下，風力機運行產(chǎn)生的尾流擾動不容忽視，對風力機機組進行合理的布置對于大規(guī)模地開展風力發(fā)電具有重要的意義。

　　2.2溫度模擬對比

　　隨著氣流流經(jīng)風力機葉片，帶動葉片的旋轉(zhuǎn)，使得周圍的氣流加速混合，在近尾流區(qū)域湍流擾動劇烈。風力機運行在穩(wěn)定層結(jié)時，風力機近尾流區(qū)域的溫度較周圍區(qū)域有所升高，這是因為風力機的湍流擾動加速了上、下層氣流的混合，溫度較高的上部氣流被帶到下方，溫度較低的下部氣流被帶到上方，使得溫度較高的氣流與溫度較低的氣流混合，導致尾流區(qū)域的溫度較周圍區(qū)域溫度有所升高的現(xiàn)象。

　　而在不穩(wěn)定溫度層結(jié)下，上層氣流的溫度比下層氣流的溫度低，經(jīng)過風力機的擾動后，上層低溫氣流和下層高溫氣流混合，導致風力機尾流及周圍區(qū)域出現(xiàn)溫度降低的現(xiàn)象。為了更好地分析溫度具體數(shù)值的變化，同時把握好溫度變化的具體數(shù)值，提取流場中心截面風力機下游不同距離處的溫度變化數(shù)值，對溫度的變化做進一步的說明。

　　3結(jié)論

　　大規(guī)模開發(fā)風力發(fā)電，必將會引起生態(tài)系統(tǒng)的變化。本文以1.5MW水平軸風力機組為研究對象，通過模擬計算，發(fā)現(xiàn)了不同溫度層結(jié)下風力機運行對大氣邊界層特性的影響，得到如下結(jié)論。①在不同溫度層結(jié)條件下，分析風力機運行時底層邊界層區(qū)域流動特性變化，結(jié)果表明，近尾流區(qū)域風速虧損嚴重，隨著氣流的延伸影響逐漸減弱，相對于穩(wěn)定層結(jié)的情況，不穩(wěn)定層結(jié)下的影響范圍較大。②穩(wěn)定層結(jié)情況下，風力機近尾流區(qū)域的溫度較周圍區(qū)域有所升高;而不穩(wěn)定層結(jié)的情況卻相反，在近尾流區(qū)域，由于氣流的擾動混合，出現(xiàn)溫度較周圍的區(qū)域有所降低的現(xiàn)象，但整體溫度變化沒有穩(wěn)定層結(jié)時明顯。

　　本文針對單臺風力機的模擬分析具有一定的局限性，但所得結(jié)論對于研究風電場影響具有重要的參考價值。針對風電場，由于尾流互相干擾，加上大氣本身多樣的湍流形式，會使湍流發(fā)展更加混亂，垂直方向影響的高度也會變大。同時，下墊面條件也會對影響程度產(chǎn)生干擾，粗糙變化對正常的地表與大氣間的能量交換造成影響。因此，后續(xù)將針對多臺風力機運行時的大氣邊界層結(jié)構(gòu)特性模擬分析，對于進行風電場布置具有重要的指導意義。

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