不同温度层结下风力机对大气边界层的影响

　　摘要：风电场的数量和规模对大气边界层的气象特性具有不可忽略的影响，作为重要的气象参数，温度层结是影响大气流动及污染物扩散的重要因素之一。文章通过建立风力机及周围流场模型，采用非稳态大涡模拟方法结合大气湍流理论，引入UDF函数对Fluent软件进行了二次开发，加载大气边界层风速廓线，对风力机在不同温度层结条件下对底层边界层区域特性进行对比。

　　研究发现，在不同层结下温度的变化不同：风力机运行在稳定层结时，风力机近尾流区域的温度较周围区域有所升高，在50m高度处温差达到最大，数值为0.465K;而不稳定层结的情况却是相反，在风力机近尾流区域的温度较周围的区域有所降低，但整体温度变化没有稳定层结时明显，最大温差为0.281K。

　　关键词：风力发电;大气边界层;温度层结;大涡模拟;风机尾流

　　0引言

　　随着全球风电场的数量和规模的增加，探索风力机和大气边界层之间的相互作用，分析风力机的气象影响显得更为重要。大气边界层作为自由大气和地表之间的缓冲地带，是湍流的能源和能汇控制的区域[1]，主要物理过程就是湍流运动引起的各种物理量的湍流交换与运输。

　　风电场位于大气边界层的近地层，其运行提取了风的动量，影响了大气边界层的湍流输送特性[2]，风电场产生的能量效应及风力机产生的扰动及涡流影响，使得大气边界层与地表层之间的能量循环受到干扰，从而改变了当地的水文气象和大气动力[3]。而数值模拟的方法已成为评估大型风电场对大气和气象影响的主要分析手段[4]。

　　CalafM[5]利用大涡模拟研究大型风电场区域的边界特征，利用致动盘模型等效风力机的影响作用，结果表明，风电场使得边界层内的通量及热量增加，由于风电场中风力机之间的影响及其与大气边界层的相互作用，大气边界层的高度有所增加。HaoLu[6]模拟了不同阵列下的风电场，研究了风电场对大气边界层的对流效应，分析了地表温度和热通量的变化情况。

　　Walsh-ThomasJenelM[7]应用实验观测风电场及其周边区域的遥感温度数据，观测出在风电场下游有连续的变暖趋势，夜间近地面的空气比几十米的上空更为凉爽，通常有一个暖气层覆盖在地面冷气层之上，形成稳定的大气，而由于风力机产生的气体涡流的扰动，暖空气下降致使地面升温。Porté-AgelF[8]应用LES模拟了3种风力机模型，模拟结果显示，风力机吸收了来流能量，对下游流动造成扰动，降低了当地风速，并加强了竖直方向上的动量、热量混合。

　　本文对1.5MW水平轴风力机进行模拟分析，采用非稳态的大涡模拟的方法，加载大气边界层风廓线函数，以及大气温度层结函数，对风力机运行时对周围底层大气边界层特性的影响进行研究，分析大气边界层风速和温度在不同的温度层结下的变化趋势以及特征规律，为风电场的布局和微观选址提供参考。

　　1风机建模及流场模拟设置

　　1.1几何模型及网络划分

　　根据风力机设计参数，通过风力机叶片截面对应翼型的二维坐标，应用点的坐标变换原理将二维剖面坐标转换为对应的三维实际坐标[9]，建立风力机的模型。1.5MW单台风力机流场的计算域尺寸：Lz=1200m=20d，y=300m=5d，x=300m=5d(d为风轮直径，d=60m)。流向沿Z轴，风力机平行于XY平面，轮毂高度为60m。为保证来流充分发展，将风力机布置在流场入口后3d距离处。

　　网格采用非结构化四面体网格，将第一层网格高度设置为0.1mm，网格的法向增长率设置为1.5，利用尺寸函数对叶片表面进行网格加密。通过比较模型中心线上湍动能变化曲线来验证网格的无关性。网格数分别为626万、685万和764万，结果发现数目较大的两个模型的计算结果接近，而数目较少的网格模型的计算结果有所偏差，所以选用685万的网格模型进行计算。

　　1.2模拟条件设置

　　首先采用Fluent软件中的SIMPLE算法进行模拟计算，对流项离散采用中心差分格式。为了达到更好的计算效果，同时为了加快收敛速度，首先进行稳态计算，得到稳态的初场，当残差达到10-3后，再以此为基础利用LES进行非稳态计算。叶片旋转一周所需时间为3.1136s，叶片每旋转6°计算一次，对应的时间步长为0.0518s。

　　入口边界条件设置为入口风速垂直分布和不同的温度层结分布，采用自定义函数编译风廓线及温度函数。出口边界条件为自由出流，风力机叶片所在的区域采用MovingMesh模型，在其旋转的同时，风力机以额定转速19.27r/min稳定运行，风力机周围小区域内流体随着叶片及轮毂共同以匀速旋转，其余外部区域流场静止。

　　1.3模拟方法验证

　　将计算出来的数据进行处理，提取出风力机下游z=7d和z=10d的速度剖面(XY平面)，与文献[10]的风洞实验数据进行对比。通过对比分析可知，模拟结果与风洞实验对风力机尾流的湍流特征的研究结果大致相似，在靠近风力机下游的近尾流区域，速度亏损比较严重，中心涡处的损失比较明显，且影响的距离比较远，风洞实验的数值在一定程度上偏小，对于这种现象，曾有学者进行了研究，认为风洞实验过高地评估了风力机尾流的作用。

　　2计算结果与分析

　　2.1风速的对比分析

　　在稳定层结下和不稳定层结下，尾流的中心涡都比较明显，且尾流涡内的速度亏损严重，同时中心涡的持续范围较广，延长到下游z=7d处还很明显，叶尖涡的轮廓略显微弱。由于不稳定层结条件下大气上层的温度比大气下层的温度低，空气的流动速率比稳定层结时快，所以涡的分解较快，稳定层结尾流在下游的影响距离要比不稳定层结影响的范围大。尾流对下游不同距离处运行的风力机的影响程度以及层结变化条件的对比，数据分析结果能够为风力机运行提供参考。

　　近尾流区域的风廓线有较明显的4个凸起，分别对应的是尾流的叶尖涡和中心涡，中心涡的存在使得速度亏损严重，速度的变化值可达5~7m/s，在稳定层结下，由于大气较为稳定，速度较小，在近尾流区域速度变化为5m/s，而不稳定层结情况下，速度变化较大，为7m/s。

　　随着气流向下游的延伸，在稳定层结条件下，尾流影响深远，速度较不稳定层结条件恢复慢，直至下游15d，速度曲线还未完全恢复为开始的速度廓线。由上述分析可知，无论是在白天不稳定层结下，还是夜间稳定的层结下，风力机运行产生的尾流扰动不容忽视，对风力机机组进行合理的布置对于大规模地开展风力发电具有重要的意义。

　　2.2温度模拟对比

　　随着气流流经风力机叶片，带动叶片的旋转，使得周围的气流加速混合，在近尾流区域湍流扰动剧烈。风力机运行在稳定层结时，风力机近尾流区域的温度较周围区域有所升高，这是因为风力机的湍流扰动加速了上、下层气流的混合，温度较高的上部气流被带到下方，温度较低的下部气流被带到上方，使得温度较高的气流与温度较低的气流混合，导致尾流区域的温度较周围区域温度有所升高的现象。

　　而在不稳定温度层结下，上层气流的温度比下层气流的温度低，经过风力机的扰动后，上层低温气流和下层高温气流混合，导致风力机尾流及周围区域出现温度降低的现象。为了更好地分析温度具体数值的变化，同时把握好温度变化的具体数值，提取流场中心截面风力机下游不同距离处的温度变化数值，对温度的变化做进一步的说明。

　　3结论

　　大规模开发风力发电，必将会引起生态系统的变化。本文以1.5MW水平轴风力机组为研究对象，通过模拟计算，发现了不同温度层结下风力机运行对大气边界层特性的影响，得到如下结论。①在不同温度层结条件下，分析风力机运行时底层边界层区域流动特性变化，结果表明，近尾流区域风速亏损严重，随着气流的延伸影响逐渐减弱，相对于稳定层结的情况，不稳定层结下的影响范围较大。②稳定层结情况下，风力机近尾流区域的温度较周围区域有所升高;而不稳定层结的情况却相反，在近尾流区域，由于气流的扰动混合，出现温度较周围的区域有所降低的现象，但整体温度变化没有稳定层结时明显。

　　本文针对单台风力机的模拟分析具有一定的局限性，但所得结论对于研究风电场影响具有重要的参考价值。针对风电场，由于尾流互相干扰，加上大气本身多样的湍流形式，会使湍流发展更加混乱，垂直方向影响的高度也会变大。同时，下垫面条件也会对影响程度产生干扰，粗糙变化对正常的地表与大气间的能量交换造成影响。因此，后续将针对多台风力机运行时的大气边界层结构特性模拟分析，对于进行风电场布置具有重要的指导意义。

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