摘要：風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)量和規(guī)模對(duì)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(dòng)及污染物擴(kuò)散的重要因素之一。文章通過建立風(fēng)力機(jī)及周圍流場(chǎng)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U(xiǎn)DF函數(shù)對(duì)Fluent軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，加載大氣邊界層風(fēng)速廓線，對(duì)風(fēng)力機(jī)在不同溫度層結(jié)條件下對(duì)底層邊界層區(qū)域特性進(jìn)行對(duì)比。

　　研究發(fā)現(xiàn)，在不同層結(jié)下溫度的變化不同：風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，風(fēng)力機(jī)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(dá)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(fēng)力機(jī)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(shí)明顯，最大溫差為0.281K。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;大氣邊界層;溫度層結(jié);大渦模擬;風(fēng)機(jī)尾流

　　0引言

　　隨著全球風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)量和規(guī)模的增加，探索風(fēng)力機(jī)和大氣邊界層之間的相互作用，分析風(fēng)力機(jī)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(yùn)動(dòng)引起的各種物理量的湍流交換與運(yùn)輸。

　　風(fēng)電場(chǎng)位于大氣邊界層的近地層，其運(yùn)行提取了風(fēng)的動(dòng)量，影響了大氣邊界層的湍流輸送特性[2]，風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的能量效應(yīng)及風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的擾動(dòng)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(dāng)?shù)氐乃�文氣象和大氣�?dòng)力[3]。而數(shù)值模擬的方法已成為評(píng)估大型風(fēng)電場(chǎng)對(duì)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(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的邊界特征，利用致動(dòng)盤模型等效風(fēng)力機(jī)的影響作用，結(jié)果表明，風(fēng)電場(chǎng)使得邊界層內(nèi)的通量及熱量增加，由于風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)力機(jī)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(fēng)電場(chǎng)，研究了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)大氣邊界層的對(duì)流效應(yīng)，分析了地表溫度和熱通量的變化情況。

　　Walsh-ThomasJenelM[7]應(yīng)用實(shí)驗(yàn)觀測(cè)風(fēng)電場(chǎng)及其周邊區(qū)域的遙感溫度數(shù)據(jù)，觀測(cè)出在風(fēng)電場(chǎng)下游有連續(xù)的變暖趨勢(shì)，夜間近地面的空氣比幾十米的上空更為涼爽，通常有一個(gè)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(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的氣體渦流的擾動(dòng)，暖空氣下降致使地面升溫。Porté-AgelF[8]應(yīng)用LES模擬了3種風(fēng)力機(jī)模型，模擬結(jié)果顯示，風(fēng)力機(jī)吸收了來流能量，對(duì)下游流動(dòng)造成擾動(dòng)，降低了當(dāng)?shù)仫L(fēng)速，并加強(qiáng)了豎直方向上的動(dòng)量、熱量混合。

　　本文對(duì)1.5MW水平軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)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(fēng)廓線函數(shù)，以及大氣溫度層結(jié)函數(shù)，對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)周圍底層大氣邊界層特性的影響進(jìn)行研究，分析大氣邊界層風(fēng)速和溫度在不同的溫度層結(jié)下的變化趨勢(shì)以及特征規(guī)律，為風(fēng)電場(chǎng)的布局和微觀選址提供參考。

　　1風(fēng)機(jī)建模及流場(chǎng)模擬設(shè)置

　　1.1幾何模型及網(wǎng)絡(luò)劃分

　　根據(jù)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過風(fēng)力機(jī)葉片截面對(duì)應(yīng)翼型的二維坐標(biāo)，應(yīng)用點(diǎn)的坐標(biāo)變換原理將二維剖面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的三維實(shí)際坐標(biāo)[9]，建立風(fēng)力機(jī)的模型。1.5MW單臺(tái)風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)的計(jì)算域尺寸：Lz=1200m=20d，y=300m=5d，x=300m=5d(d為風(fēng)輪直徑，d=60m)。流向沿Z軸，風(fēng)力機(jī)平行于XY平面，輪轂高度為60m。為保證來流充分發(fā)展，將風(fēng)力機(jī)布置在流場(chǎng)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(shè)置為0.1mm，網(wǎng)格的法向增長率設(shè)置為1.5，利用尺寸函數(shù)對(duì)葉片表面進(jìn)行網(wǎng)格加密。通過比較模型中心線上湍動(dòng)能變化曲線來驗(yàn)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(gè)模型的計(jì)算結(jié)果接近，而數(shù)目較少的網(wǎng)格模型的計(jì)算結(jié)果有所偏差，所以選用685萬的網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算。

　　1.2模擬條件設(shè)置

　　首先采用Fluent軟件中的SIMPLE算法進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)流項(xiàng)離散采用中心差分格式。為了達(dá)到更好的計(jì)算效果，同時(shí)為了加快收斂速度，首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得到穩(wěn)態(tài)的初場(chǎng)，當(dāng)殘差達(dá)到10-3后，再以此為基礎(chǔ)利用LES進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。葉片旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間為3.1136s，葉片每旋轉(zhuǎn)6°計(jì)算一次，對(duì)應(yīng)的時(shí)間步長為0.0518s。

　　入口邊界條件設(shè)置為入口風(fēng)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(fēng)廓線及溫度函數(shù)。出口邊界條件為自由出流，風(fēng)力機(jī)葉片所在的區(qū)域采用MovingMesh模型，在其旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，風(fēng)力機(jī)以額定轉(zhuǎn)速19.27r/min穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)力機(jī)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(chǎng)靜止。

　　1.3模擬方法驗(yàn)證

　　將計(jì)算出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出風(fēng)力機(jī)下游z=7d和z=10d的速度剖面(XY平面)，與文獻(xiàn)[10]的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)比分析可知，模擬結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)尾流的湍流特征的研究結(jié)果大致相似，在靠近風(fēng)力機(jī)下游的近尾流區(qū)域，速度虧損比較嚴(yán)重，中心渦處的損失比較明顯，且影響的距離比較遠(yuǎn)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的數(shù)值在一定程度上偏小，對(duì)于這種現(xiàn)象，曾有學(xué)者進(jìn)行了研究，認(rèn)為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)過高地評(píng)估了風(fēng)力機(jī)尾流的作用。

　　2計(jì)算結(jié)果與分析

　　2.1風(fēng)速的對(duì)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(yán)重，同時(shí)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(dòng)速率比穩(wěn)定層結(jié)時(shí)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(duì)下游不同距離處運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)的影響程度以及層結(jié)變化條件的對(duì)比，數(shù)據(jù)分析結(jié)果能夠?yàn)轱L(fēng)力機(jī)運(yùn)行提供參考。

　　近尾流區(qū)域的風(fēng)廓線有較明顯的4個(gè)凸起，分別對(duì)應(yīng)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(yán)重，速度的變化值可達(dá)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(yuǎn)，速度較不穩(wěn)定層結(jié)條件恢復(fù)慢，直至下游15d，速度曲線還未完全恢復(fù)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(fēng)力機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的尾流擾動(dòng)不容忽視，對(duì)風(fēng)力機(jī)機(jī)組進(jìn)行合理的布置對(duì)于大規(guī)模地開展風(fēng)力發(fā)電具有重要的意義。

　　2.2溫度模擬對(duì)比

　　隨著氣流流經(jīng)風(fēng)力機(jī)葉片，帶動(dòng)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(dòng)劇烈。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，風(fēng)力機(jī)近尾流區(qū)域的溫度較周圍區(qū)域有所升高，這是因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)的湍流擾動(dòng)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(dǎo)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(fēng)力機(jī)的擾動(dòng)后，上層低溫氣流和下層高溫氣流混合，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)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(shí)把握好溫度變化的具體數(shù)值，提取流場(chǎng)中心截面風(fēng)力機(jī)下游不同距離處的溫度變化數(shù)值，對(duì)溫度的變化做進(jìn)一步的說明。

　　3結(jié)論

　　大規(guī)模開發(fā)風(fēng)力發(fā)電，必將會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)的變化。本文以1.5MW水平軸風(fēng)力機(jī)組為研究對(duì)象，通過模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了不同溫度層結(jié)下風(fēng)力機(jī)運(yùn)行對(duì)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(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)底層邊界層區(qū)域流動(dòng)特性變化，結(jié)果表明，近尾流區(qū)域風(fēng)速虧損嚴(yán)重，隨著氣流的延伸影響逐漸減弱，相對(duì)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(fēng)力機(jī)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(dòng)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(shí)明顯。

　　本文針對(duì)單臺(tái)風(fēng)力機(jī)的模擬分析具有一定的局限性，但所得結(jié)論對(duì)于研究風(fēng)電場(chǎng)影響具有重要的參考價(jià)值。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)，由于尾流互相干擾，加上大氣本身多樣的湍流形式，會(huì)使湍流發(fā)展更加混亂，垂直方向影響的高度也會(huì)變大。同時(shí)，下墊面條件也會(huì)對(duì)影響程度產(chǎn)生干擾，粗糙變化對(duì)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(duì)多臺(tái)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)的大氣邊界層結(jié)構(gòu)特性模擬分析，對(duì)于進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)布置具有重要的指導(dǎo)意義。

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