基于三维计算流体动力学压缩数据集的垂直轴风力机风场快速预测方法

《Energies》：Analysis of Vertical-Axis Wind Turbine Clusters Using Condensed Two-Dimensional Velocity Data Obtained from Three-Dimensional Computational Fluid Dynamics Md. Shameem Moral, Hiroto Inai, Yutaka Hara, Yoshifumi Jodai and Hongzhong Zhu

　　

研究人员提出了一种基于三维计算流体动力学（3D-CFD）压缩数据集的快速预测方法，用于估算垂直轴风力机（VAWT）风电场的流场分布及机组运行状态。该方法首先通过对单个孤立VAWT开展3D-CFD数值模拟，提取其周围流场的二维速度分布数据并进行压缩处理，形成标准化的二维速度数据集。随后，采用迭代耦合模型（IFCM）对该数据集进行叠加与迭代计算，获得风电场内任意位置的流向速度分量 u(x,y)。虚拟上游风速 UF(j)被定义为第 j台机组中心沿垂直于主流方向的直径线段上11个等间距点的平均流向速度 uave(j)，以此表征机组的有效来流条件。研究通过并行、串联及三角阵列三类三机组布置实验验证了该方法的准确性，结果表明：在机组间距较大时，预测误差可降至4%–7%；在密集排布条件下，相较于传统三角尾迹模型（TWM），预测精度显著提升。该方法将单次风电场流场分析的计算耗时由数天缩短至0.3秒以内，计算成本不足CFD方法的 2.3×10?5%，为风电场布局优化提供了高效工程工具。

研究背景与意义

垂直轴风力机（VAWT）因全风向适应性、低噪音及易维护等优势，在城市及分布式能源场景中备受关注。然而，VAWT风电场中机组间的气动干扰显著，导致流场结构复杂，精确预测其运行性能仍具挑战。传统三维计算流体动力学（3D-CFD）虽精度高，但计算成本巨大，难以满足风电场多工况、多布局优化的需求。现有快速预测方法多基于简化的二维尾迹模型，未充分考虑真实三维流动特征，导致密集排布下的预测偏差较大。为此，研究人员开展本研究，旨在开发一种兼顾精度与效率的快速预测方法，推动VAWT风电场的实际工程设计。该研究成果发表于国际能源领域期刊《Energies》。

关键技术方法

研究人员采用实验与数值模拟相结合的方法。首先，针对直径 D=50 mm的微型VAWT样机开展3D-CFD数值模拟，获取其在额定来流风速 U∞=12 m/s下的三维流场数据，并将其压缩为二维速度数据集。其次，基于迭代耦合模型（IFCM），通过逐步增加参与计算的机组数量（Ntemp从1至 N?1），叠加各机组的诱导速度场，迭代求解全场速度分布 u(x,y)。虚拟上游风速 UF(j)定义为机组中心沿垂直于来流的直径线上11个点的平均流向速度。收敛判据为连续两次迭代的虚拟上游风速均方根差 winRMS小于容差 ε=0.0001。实验验证采用风洞测试数据，涵盖平行、串联及三角阵列三种典型三机组布局，并通过与实测转速对比评估预测误差。

研究结果

3.1 三机组并联布置

在垂直于来流的并联布局中，研究了四种旋转方向组合（CW/CW/CW、CW/CCW/CW等）。结果表明，当机组间距 g=3D时，预测平均误差仅为2.87%，最大误差低于6%。相比传统三角尾迹模型（TWM），该方法显著提升了密集排布下的精度。预测结果成功捕捉到尾迹偏移及机组间的干涉现象，且转速相对大小关系与实验一致。

3.2 三机组串联布置

在串联布局中，固定首末机组间距为 8D，调整中间机组位置。研究发现，由于 UF(j)采用线平均定义，无法区分旋转方向对速度梯度的影响，导致相同布局下不同旋转方向的机组预测转速一致。当 g1=1.8D时，上游机组（R1、R2）预测误差低于3%，但下游机组（R3）误差高达25.57%；当 g1=3.4D时，R1误差仍低于2.8%，而R2与R3误差接近20%，表明该方法对处于强尾迹区的机组预测仍有局限。

3.3 三机组三角阵列布置

在三角形顶点布置中，对比了同向旋转（3CO）与反向旋转（3IR）两种模式。当间距 g=0.5D时，12个风向角的平均预测误差分别为10.84%（3CO）和9.61%；当 g=1D时，误差增至约20%；而当 g=2D时，误差显著降低至3.97%（3CO）和6.81%（3IR）。特定风向（如 θ=30°）下出现的预测异常，归因于直径尺度下的强气动干扰未被现有模型完全捕捉。

讨论与结论

讨论部分指出，基于3D-CFD压缩数据的预测方法在并联布局中表现优异，但在串联布局的尾迹区及三角阵列的紧密排布下精度下降。这主要源于虚拟上游风速的定义未考虑速度梯度及二次流效应。未来研究需引入相关修正项，并验证其在全尺寸、低实度VAWT上的适用性。

结论表明，所提方法成功将3D-CFD的高精度特征融入快速预测框架，在保证工程实用性的同时大幅降低计算成本。该方法为VAWT风电场的布局优化提供了可靠工具，尤其适用于需大量迭代计算的早期设计阶段。尽管在极小间距下仍有改进空间，但其高效性已得到充分验证，具备良好的工程应用前景。