复杂山地风电机组高边坡地形影响分析_陈强波.pdf

技术|Technology78 风能 Wind Energy 路,基于地形等高线,采用 NURBS 曲线和 NURBS 曲面为真实地形的 CFD 数值模拟提供了支持；赵亮等7基于等高线,利用 CAD 强大的图形数据库,实现区域内地形地貌建模。然而,受风电场范围和容量、生态红线、林地等因素的约束,一些机位的施工平台因大规模挖填方不可避免地存在高边坡问题,进而对现场风能资源条件产生较大影响。目前,行业内普遍采用 Meteodyn 公司的 WT 软件对整个风电场进行 CFD 建模计算,地形建模主要集中在风电场前期勘探得到的地形主体结构特征上,未考虑风电场建设前后局部地形改变带来的影响。为提高地形改造后风况预测的精确度及探究局部地形因素对风能资源评估的影响,本文以某复杂山地项目的某机位为例,以高精度测绘地形图和平台设计方案为输入,得到真实地形及平台建设后的地形模型,并通过风电机组局部地形 CFD 计算,着重关注吊装平台建设后地形与原始地形的风能资源仿真结果差异,对比分析风电机组位于背风坡下其风轮运行盘面的风流特性、机位处不同高度的风速差异、风廓线差异以及湍流强度特征变化。建模方法FLUENT 是比较通用的 CFD 软件,包含了多样化的参数化方案和物理模型,能够实现多种流体问题的数值模拟计算,在汽车设计、航空航天、噪声仿真、环境工程、层流、湍流、多相流和传热等方面有广泛应用。FLUENT 以有限进入“十三五”以来,规模的要求、成本的降低、资源的下探等因素,促使即便在中低风速的复杂山地区域,风电开发同样全面铺开。我国内陆地形复杂,潜在和现役的大型风电场大多坐落于山地、高原、丘陵、盆地等地带的风能资源富集区域。山地地形地貌错综复杂,起伏较大,对风的流动产生一定影响1。山地对气流的影响体现在地形的差异性上,特定的地形可能造成风流发生大尺度分离和回流,增加风的复杂性和不稳定性。若风电机组运行在这样的风况下,其发电效率可能降低,甚至面临安全性风险。如果对地形效应考虑不足,就会导致数值模式的模拟结果与实际大气情况存在偏差,从而降低模拟的准确性,因此,在进行山地风能资源模拟和机位布置时考虑地形效应至关重要2。复杂地形的风能资源特性通过微尺度的数值模拟实现,如计算流体力学（CFD）技术。CFD 技术广泛应用于风电场计算中,是一种重要的风能资源评估和风电场微观选址工具3。CFD 微尺度计算极大程度依赖于对地形建模的准确度,与简单几何模型不同,在创建复杂地形的网格模型时必须以真实地形数据为基础。莫善军等4通过 C#编程提取 Google Earth 高程数据,应用 Global Mapper V11.0、Rhino 5.0 等三维建模软件自动实现三维地形图几何建模,能满足 CFD 计算要求；翁巧琳等5利用等高线高程值连续的特性,将等高线作为特征线构建带约束条件的狄洛尼三角网的算法,保留了等高线包含的地形特征,较好地实现了真实感三维地形的重建；郑远攀等6引入逆向工程建模思复杂山地风电机组高边坡地形影响分析文|陈强波，盛科，刘超，卢陈皓，文雯1:韩毅，赵勇，童博，等.复杂地形风场的风资源评估方法与展望 J.热力发电，2020，49（11）：139146.2:闫姝，曾崇济，王晓东，等.多山地形风场流动数值模拟 J.热力发电，2020，49（6）：7783.3:赵永锋复杂地形风场 CFD 模拟方法研究 D北京：华北电力大学，2011.4:莫善军，李志凛，陈成江，等.利用 GoogleEarth 建立等高线三维地形模型 J.测绘通报，2012，（2）：3942.5:翁巧琳，姜昱明.基于等高线的三角网建模及真实感地形重建 J.计算机仿真，2007，（10）：188191.6:郑远攀，杨融，王睿，等.基于等高线的真实地形 CFD 建模方法 J.人民长江，2017，48（15）：4045.7:赵亮，王思明，滕建武.基于等高线特征的三维地形造型技术研究与应用 J.兰州交通大学学报，2009，28（1）：8588.Technology|技术2023年第01期 79 8:杨志斌，袁德奎.基于 Fluent 城市大气污染物扩散数值模拟 J.环境工程学报，2016，10（3）：13651369.体积法（Finite Volume Method,FVM）为核心计算方法,可以用于非结构化网格体系的数值求解；自带的 Meshing网格划分工具,具有较强的建模和网格划分功能,能对各种求解模型进行网格划分；内置了非结构化网格的通用求解器,采用了多重网格加速收敛方式和多种求解方法,能够提升收敛速度和求解精度8；提供了丰富的数据接口用于增加必要的物理模型和链接外部数据。FLUENT 的这些特性使得将其用于模拟地形复杂的风电场成为可能。本文使用逆向工程建模思想,以实地测绘地形图提供的等高线为输入,利用 Rhino 建模软件重构 NURBS 曲面,得到地形的仿真模型,同时引入平台设计方案对地形仿真模型进行改造,获得风电机组实际运行的真实地形模型。将获得的真实地形模型直接与 FLUENT 软件交互,进行网格划分处理和后续 CFD 计算。NURBS 是“Non-Uniform Rational B-Splines”（非均匀有理 B 样条曲线）的缩写。1991 年,国际标准化组织（ISO）颁布的工业产品数据交换标准将 NURBS 作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。在采用计算机进行三维建模时,主要依托于 NURBS 曲线和 NURBS 曲面描绘三维模型的形状特征,从而较好地控制物体表面的曲线度,使所建模型更能够反映真实物体特征,满足 CFD 数值仿真计算需要6。案例分析一、机位概况某复杂山地项目场址东西长约 17km,南北长约10km,规划面积 88km2,属于高山-丘陵地貌,海拔高程210 920m。其中,F12 机位受限于生态红线及区域界限未放置于山顶位置,其地理位置如图 1 所示。该机组采用成熟机型 WTG3000D146 风电机组,轮毂高度 90m,风电机组下叶尖位置距离地面 17m。风电场在进行风电机组平台建设时,为了满足风电机组基础承重和吊装要求,会在选定的风电机组位置处进行地基开挖和平台基础面整平。对于山地平台,这种地形改造不仅会破坏局部地形特征,为了减少工程挖方,降低工程造价,往往还会形成人造高边坡。工程上,建筑边坡工程技术规范（GB 503302013）对 1030m 边坡高度设计及施工进行了规范,对于高度超过 30m 的边坡工程,在设计和施工时需进行专门论证。该风电机组平台设计方案如图 2 所示,本文主要分析 330扇区风向下高边坡对风能资源特征的影响。图1 风电机组地理位置示意图2 风电机组平台设计方案技术|Technology80 风能 Wind Energy 二、CFD 建模概述由测绘地形图及平台设计方案得到该机位地形施工剖面与机位处地形模型,如图 3 所示,在机位点左侧 38.5m处形成了高度为 22m 的高边坡,同时平台基础相对原始地形下降了 6m。将采用上述方法获得的风电机组实际运行的真实地形模型直接与 FLUENT 软件交互,并进行网格划分处理和后续 CFD 计算建模。机位处真实的地形特征如图 4 所示。采用道路测绘地图建立仿真计算地形,以机位为中心,建立长方体计算域,入口距风电机组位置 500m,出口距风电机组 1000m,计算域高取 1000m,计算域两侧距风电机组 500m。出流方向设置为压力出口,两侧和顶面设置对称边界,来流方向设置为速度入口,入口来流风速分布采用对数率分布。采用六面体非结构化网格对区域进行离散,壁面首层网格高度为 1m,高度方向采用棱柱体边界层,渐变率为 1.2,共 5 层,对风电机组平台位置机型进行局部加密,加密精度为 1m,最终得到网格总数约为 120 万,如图 5 所示。计算域下边界为地面,设置为不可滑移壁面,其粗糙度根据地形情况生成。本例假定流动为三维不可压缩定常流动,选取密度为1.156kg/m3、动力粘度为 1.855E-5Pa s 的空气作为流动介质。湍流模型选用 k-模型,地表湍流采用近壁面函数处理,设置求解迭代最大步长 1000 步。在风电机组叶片覆盖范围设置监测面,对风速变化进行监测和记录。三、CFD 结果分析1.风流特性在 330风向条件下,对整个区域流场进行 CFD 计算,根据计算结果可以得出：机组位置机组位置（a）原地形（a）原地形 图5 CFD 网格模型图3 机位处地形剖面图4 机位处三维地形（b）高边坡地形（b）高边坡地形Technology|技术2023年第01期 81 （a）原地形 （a）原地形 （a）原地形 图6 风电机组叶片覆盖范围内的风速分布图7 风电机组区域风速分布图8 风电机组轮毂高度处风速分布（b）高边坡地形（b）高边坡地形（b）高边坡地形（1）叶片覆盖范围的风速分布如图 6 所示。由图可以看出,高边坡机位和原地形机位盘面风速分布表现差异较大,原地形在下盘面高度风速增大,高边坡地形下表面风速差异较大,分层严重。（2）机位流向速度分布如图 7 所示。由图可以看出,气流在沿着山体经过一段距离的爬坡后,风速会明显增加,同时在下游会形成尾流区（蓝色区域）,风速降低,且形成明显的涡旋。与风电基本理论一致,若叶片在此范围内会对风电机组捕风影响极大。人工高边坡不会改变高层和远处的流动特征,但对于低层距离边坡较近的位置影响较大。（3）如图 8 所示,高边坡对轮毂高度处风速影响不显著。2.风切变分析在 330风向条件下,风电机组距离高边坡 38.5m,得技术|Technology82 风能 Wind Energy 到原地形和高边坡地形风电机组位置从 0m（地面）到90m 高度风速分布：（1）根据机位处垂直高度风速分布（图 9）,原地形底层风加速效应明显,高边坡改变了山顶结构,使得 30m 以下高度风速下降明显,但对 40m 以上高度风速影响较小。（a）原地形 （a）原地形 图11 风电机组风切变拟合图12 风电机组机位叶片覆盖范围内的湍流动能分布（b）高边坡地形（b）高边坡地形平均风速/（m/s）高度/m图9 风电机组机位垂直高度风速分布图10 风电机组不同位置风速分布平均风速/（m/s）平均风速/（m/s）平均风速/（m/s）高度/m高边坡地形高边坡地形（2）由机位不同位置水平风速分布（图 10）可知,下叶尖、轮毂高度、上叶尖处风速降比分别为-61.55%、-2.56%、-1.41%,高边坡地形对下叶尖位置风速影响明显。（3）如图 11 所示,原地形和高边坡地形风切变拟合值分别为 0.0351 和 0.0961,高边坡地形风切变拟合值比原地Technology|技术2023年第01期 83 图13 风电机组不同位置湍流分布0.3000.2500.2000.1500.1000.0500.000湍流强度下叶尖原地形高边坡地形轮毂上叶尖形增大 0.061,且高边坡地形下叶尖处风速低,对整体切变影响非常大。3.湍流分析图 12 给出了该机位原地形和高边坡地形盘面湍流强度分布情况,图 13 给出了该机位原地形和高边坡地形不同位置的湍流强度对比情况。由图可知,受高边坡和地面边界层的影响,湍流强度在底层和靠近边坡位置变得更大,下叶尖湍流强度增加了 0.18；轮毂和上叶尖所受的湍流影响较小。结论本文以某复杂山地项目机位为例,在获取测绘地形图数据基础上利用 Rhino 建模软件重构 NURBS 曲面得到真实地形特征,采用计算流体力学软件 FLUENT 对该机组地形进行了一系列数值模拟计算,初步得出以下结论：（1）受高边坡和地面边界层的影响,在背风面形成明显的尾流旋涡区。该区域流体分离严重,湍流强度较高,易产生较大的风切变。在边坡高度无法改变的情况,可以适当抬高塔筒以避免高边坡影响。（2）在山地风电场微观选址中,需考虑高边坡给风能资源造成的影响,同时在平台设计时尽可能降低边坡高度,减小风电机组运行的风险。（作者单位：中车株洲电力机车研究所风电事业部）摄影：杨海龙