含沙环境中风力机尾流特性的大涡模拟研究

《Renewable Energy》：Large eddy simulations on the wake characteristics of a wind turbine in sand-laden environment

　　

•LES-ALM解析含沙环境中的涡轮尾流。•下游尾流速度恢复取决于粒子斯托克斯数。•粒子斯托克斯数影响尾流频率和尾流摆动。引言风能已成为未来能源系统的重要组成部分，近年来吸引了大量投资[1]。随着陆上风能的快速扩展，越来越多的风电场正在沙漠和戈壁地区建设，这些地区沙尘暴频发[2]。空气中的颗粒物可以改变大气边界层中的流动结构、能量分布和动量输运，从而影响风力涡轮机尾流中的速度恢复和相干结构[3]。因此，理解这些粒子诱导效应对评估含沙环境中的风力涡轮机尾流行为至关重要。风力涡轮机尾流包含显著的速度亏损和不稳定涡结构，会降低下游涡轮的功率输出。Hirth等人[4]的现场测量表明，在下游约7D处（D为转子直径），平均速度降低了15%–18%，对应的理想功率减少约为40%。Aitken和Lundquist[5]报告称，近尾流区域的中心线速度亏损达到40%，且其影响在下游10D以外仍然显著。在风电场尺度上，Barthelmie等人[6]发现Horns Rev的平均尾流诱导功率损失为10%–20%。增加涡轮间距可以缓解这些损失[7]，但会降低土地利用效率，凸显了准确预测尾流亏损的必要性。尾流摆动是涡轮尾流的大尺度低频位移，影响恢复、结构载荷和风电场控制[8]。尾流摆动的特征频率通常远低于叶片旋转频率，基于转子直径D的斯特劳哈尔数(St)一般在0.1到0.3之间[9]。这表明尾流对下游风力涡轮机的影响本质上是不稳定的。Viola等人[10]的风洞实验揭示，尾流摆动可以从中心涡的破碎中识别出来。然而，尾流摆动行为在不同来流条件下差异显著。例如，Zhang等人[11]发现，在对流来流条件下，尾流摆动的幅度增强且起始位置更接近风力涡轮机。Gambuzza等人[12]报告称，在高湍流强度和短积分时间尺度的流动中，尾流摆动起源于更靠近转子轮毂的位置。尽管无沙尾流已被广泛研究，但对含沙尾流的直接研究仍然有限，且主要关注涡轮性能。Karimi等人[13]采用具有剪切应力传输闭合的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)模型和离散相模型(DPM)，观察到沙粒粒径(dp)与推力和扭矩之间呈正相关。Bouhelal等人[14]应用了改进的RANS k–ω模型和DPM，报告称在相同质量浓度下，较大的粒子会导致更大的功率损失。仅有少数风洞实验研究了粒子对尾流特性的影响。Travis等人[15]观察到随着粒子浓度增加，尾流速度波动增强。Smith等人[16]发现高粒子体积分数加剧了尾流亏损，且粒子分布遵循尾流扩张。在风电场尺度上，Mataji等人[17]使用稳态流动偏转和诱导(FLORIS)框架预测了粒子诱导的尾流扩张和增强的扩散。过去几十年里，粒子对流体动力学行为的影响已得到广泛研究[18]。早期研究表明，粒子尺寸对流动特性有显著影响，大粒子显著增强湍流，小粒子抑制湍流，而中等尺寸的粒子可能表现出双重效应[19]。Gore和Crowe[20]提出了基于粒子直径dp与特征湍流长度尺度之比的判据，指出当该比值超过0.1时湍流增强，否则湍流被抑制。尽管该判据与Noguchi和Nezu[21]的通道流实验一致，但它无法解释Hadinoto等人[22]的结果。Elghobashi和Truesdell[23]进一步指出，即使远小于特征尺度的粒子也可能增强湍流。此外，一些研究采用斯托克斯数(St)作为替代判据，St定义为粒子弛豫时间(τp)与特征流动时间(τf)之比。该无量纲参数能有效表征粒子对流动结构的动态响应[24]。一项关于均匀各向同性湍流的直接数值模拟(DNS)研究表明，St<1的粒子倾向于增强湍流动能、涡度和粘性耗散，而St>1的粒子倾向于抑制它们。当St≈1时，粒子效应相对较弱[25]。在雷诺数Re=950的通道流中，Wang等人[26]报告称St?1和St?1均增强超大规模结构，而中等或极大St的粒子影响较弱。在垂直通道流实验中，随着粒子St从8增加到41，湍流强度显著降低[27]。值得注意的是，当τp与τf相当时，粒子聚集最为显著，已证明这会影响涡结构中的粒子加速度，且此类条件可能影响风力涡轮机尾流[28]。尽管现有研究在一定程度上提高了对含沙环境风力涡轮机尾流特性的理解，但仍有若干关键问题亟待解决。(i) 大多数现有研究使用RANS模型[13]、[14]或经验公式[17]来描述风力涡轮机与粒子的相互作用。这些方法无法完全解析支配尾流动力学的不稳定湍流脉动和相干结构。(ii) 现有风洞实验[15]、[16]在捕捉规定斯托克斯数下粒子对尾流恢复和相干结构的影响方面存在局限，限制了对含沙环境中粒子-尾流相互作用进行系统分析。(iii) 上游风力涡轮机的尾流强烈影响下游风力涡轮机的运行，尾流摆动的主导频率及其能量分布是尾流特征的关键描述参数[8]、[9]。然而，具有不同St的沙粒粒子对这些频率特性的影响尚未得到系统阐明。为解决上述问题，本研究采用大涡模拟(LES)结合推进器线模型(ALM)系统研究了具有不同St的沙粒粒子对风力涡轮机尾流特性的影响。通过分析下游速度剖面，量化了具有不同斯托克斯数的粒子如何修改尾流恢复和动量输运。此外，采用本征正交分解(POD)研究了粒子St如何影响尾流频率和摆动。本研究旨在阐明沙粒粒子对风力涡轮机尾流恢复和相干结构的影响，从而为评估含沙环境中的尾流行为提供依据。章节摘要气体相控制方程本研究使用LES来解析涡轮尾流中的高能湍流结构，而未解析的运动由亚格子尺度(SGS)模型表示。它在不能解析感兴趣不稳定结构的RANS和计算上代价过高的DNS之间提供了实用的折中方案[9]、[29]。气体相的连续性方程(1)和动量方程(2)给出为?(ρgαg)?t+??(ρgαg?g)=0，?(ρgαg?g)?t+??(ρgαg?g?g)=??p?g+ρgαgg+??(αgτ?g)?ft。这里，αg=1?αp。风力涡轮机模型模拟采用三叶片水平轴风力涡轮机，转子直径D=0.44 m，设计尖速比TSR=6.4，此前已在风洞和数值研究中使用[36]。当前模拟旨在在受控条件下隔离粒子惯性对单台风力涡轮机尾流的影响。相对于此处研究的转子诱导流和粒子惯性效应，机舱和塔架对整体尾流发展的影响为尾流中的粒子分布图3(a)展示了St=0.01情况下风力涡轮机的瞬时尾流场。尾流结构使用Q判据提取，Q?=D2Q/u02=0.22，同时可视化了被卷入的沙粒粒子。尾流表现出显著的大尺度振荡运动，这表明存在尾流摆动，且粒子被卷入该摆动过程。为了进一步比较粒子惯性的影响，图3(b)展示了空间分布。结论本研究采用LES结合ALM和MP-PIC方法，研究了粒子斯托克斯数对含沙环境风力涡轮机尾流的影响。模拟在受控的风洞尺度条件下进行，使得能够系统比较不同粒子情况下尾流恢复、动量输运和相干结构。粒子对尾流恢复的影响随下游距离而变化。在近尾流区域，恢复增强CRediT作者贡献声明Yan Wang：写作–审阅与编辑，写作–初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。Fuqiang Zhang：写作–审阅与编辑，写作–初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Gaosheng Ma：写作–审阅与编辑，写作–初稿，声明作者声明利益冲突作者声明不存在已知的可能影响本报告中工作的财务利益或个人关系。致谢本研究得到国家自然科学基金(批准号52276197)和甘肃省重点研发计划–产业项目(批准号23YFGA0069)的支持。Yan Wang | Fuqiang Zhang | Gaosheng Ma | Zhiqiang Zhang | Pan Lu | Shaolin Wu