8 王偉拓-電氣風電-大渦模擬在復雜地形應用中的關鍵技術挑戰與解決方案.pdf

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1、CHINA WINDPOWER 20242024北京國際風能大會大渦模擬（LES）在復雜地形應用中的關鍵技術挑戰與解決方案王偉拓 博士上海電氣風電集團2024年10月Content目錄風資源評估技術革新背景Part 1推進LES技術應用的關鍵問題Part 2技術挑戰與解決方案Part 3總結Part 41.1巨型風機設計理論的新發展趨勢 在風機大型化發展趨勢下，出現諸多新問題，設計技術接近現有理論邊緣 巨型風機的質量、安全性、經濟型離不開設計理論的革新現有材料性能達到極限大型風機的結構動力學問題非常態風下的安全問題風機大型化發展趨勢多學科領域耦合線性假設的部分失效不確定性評估的部分失效巨型風機

2、設計理論的新挑戰單機容量增加葉輪直徑增加輪轂高度增加大兆瓦風機面臨的問題葉輪直徑的發展趨勢葉片的非線性氣彈顫振風-波浪-結構耦合設計1.2風電行業中的大渦模擬 計算流體力學CFD仿真技術順應風機設計需求，可以提供更為豐富、準確的風場、氣動力數據。大渦模擬LES作為CFD中技術代表，已在風電學術研究的多個課題中得到了應用。風機氣動設計方法比較LES在風電研究中的應用海上風電場布置研究漂浮式風機波浪-風耦合研究氣動設計方法準確性1.3風資源評估的技術革新 風資源評估是風機設計的第一步，數據的精確性、豐富性直接關系到后續風機、塔架設計的精細化程度。目前風資源評估技術中僅能提供較為可靠統計性的結果，難

3、以提供載荷所需的時程結果。推廣LES技術可以打通風資源評估和載荷設計間的降階-升階模型。風資源評估載荷設計塔架設計時序性輸入統計性輸出時序性結果統計性輸出結構設計時序性結果風力風風力力數據降階升階降階輪轂中心的平均風速、湍流度等疲勞荷載、極限荷載等技術革新前時序性輸入風時序性結果風LES技術革新測風塔風輪面技術革新后力2.1推進LES技術應用的要求 推進LES應用可以獲得更為精細準確的風場結果，但對輸入數據、計算資源、理論模型的要求更高LES網格數量更多，雷諾數依賴性強LES計算步數更多，非穩態計算LES對網格質量要求更高非定常流動的風速時程結果對流動分離的精確仿真湍流模型的經驗性很弱粗糙度模

4、型更為精細模型參數的選取更科學對來流數據的要求更高對時間、空間離散格式更敏感需要更豐富的可靠數據輸入需要更多的計算資源需要更精細的理論模型提供更精細的、準確的風場結果湍流成分的比較單點風速時程的比較2.2推進LES技術應用的關鍵難點 從RANS向更前沿的LES技術發展中，現有評估流程需要進行技術革新。關鍵技術革新包括：時序入口邊界條件，高質量網格生成方法，精細的粗糙度模型更新來流邊界生成方法優化網格生成方法更新粗糙度模型=0時間平均后的來流平均風速剖面=ln(+00)湍動能剖面=()21ln(+00)+2耗散率剖面=()3(+0)1ln(+00)+2RANS LES來流邊界條件差異RANSLE

5、S統計時序邊界層網格的細化網格質量問題=|=|=0引入新參數考慮植物類型、高度影響不同的植被類型RANSLES大渦模擬LES網格特點3.1 挑戰1：高質量復雜地形網格網格數量&質量LES近壁面處的邊界層網格近壁面分離流動產生渦的尺度較小LES在邊界層需更小、更高質量的網格邊界層網格數量占比較高 LES準確模擬邊界層分離流動，需要劃分尺度小、質量高的近壁面網格，大大增加了網格數量 網格質量、數量 影響 LES仿真的結果準確性、求解穩定性、計算效率LES仿真原理網格類型網格數量網格質量生成難度六面體少高難四面體多中等易多面體中等低易網格類型不同網格類型對數量和質量的影響3.1 挑戰1：高質量復雜地

6、形網格參數控制的自動化生成混合型網格應對復雜地形的強魯棒性近地面邊界層網格的控制與優化網格質量的閾值控制網格生成程序應具有的特點以六面體為主的混合網格（雙山脊）需要參數化、自動化、可控制性、魯棒性強的網格生成程序。自主研發的網格生成軟件通過體網格和邊界層網格的融合，來保證邊界層網格的生成和質量開源網格生成程序:snappyHexMesh電氣風電自主研發程序填充切分castellated壁面貼合snap塞入邊界層addlayer對邊界層網格的控制較弱應對復雜地形，邊界層網格無法全部生成增強對邊界層的控制，保證邊界層網格的生成體網格填充邊界層擴展兩套網格融合優化融合質量3.2 挑戰2：入口來流邊界

7、的準確模擬入口風速隨高度、時間變化，需反映湍流的強度、尺度等特性入口來流的湍流特性需要在流經計算域內保持穩定入口來流的湍流來源于地面剪切的地面摩擦分離部分和大氣熱運動兩個部分 LES入口來流需要邊界各點處的風速時程，且湍流發展穩定。LES入口來流湍流需考慮地面剪切和大氣熱運動兩部分。湍流入口邊界的特點湍流的組成成分大氣熱運動部分地表摩擦部分域前模擬類通過粗糙元模擬的初始場作為邊界條件計算資源消耗較多，可復用生成的湍流穩定性好，衰減少3.2 挑戰2：入口來流邊界的準確模擬 生成入口來流邊界目前有數學合成、域前模擬兩種方法 域前模擬生成的湍流有更好的穩定性，計算量大但結果具有可復用性，是可行且有效

8、的解決方案。數學合成類通過數學方法進行合成，可調整性計算資源消耗較少生成的湍流不滿足N-S方程，急速衰減域前模擬地表摩擦湍流3.3 挑戰3：地表粗糙度的精細化模擬 地表粗糙度對邊界層流動影響較大，在分布式風電項目中需仔細考慮 目前模擬粗糙度的思路有壁面粗糙函數和冠層模型兩個大類森林對大氣邊界層流動影響示意圖樹冠層模型壁面粗糙函數模型3.3 挑戰3：地表粗糙度的精細化模擬 精細化冠層模型應考慮植被類型、冠層高度、枝葉密度、季節變化等因素植被類型參數冠層高度計算方法枝葉密度不均勻性模擬植被阻力系數Cd單一落葉木0.15成行落葉林0.5針葉林1.0混合林0.2冠層高度計算模型對比枝葉密度隨高度的變化GlobalLand304.總結 大渦模擬LES技術提供更豐富準確的風場結果，助力提升風資源和載荷聯合設計水平。推進LES技術應用需要解決數據輸入、理論模型和計算資源三個方面問題。針對入口邊界生成挑戰，域前模擬方法是可靠且有效的解決方案。針對高質量網格生成挑戰，邊界層、體域網格融合是可靠且有效的解決方案。針對粗糙度模擬挑戰，多參數的冠層模型是可靠且有效的解決方案。Always One Night Before Clients至臻至誠 行遠不殆