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“捕”风高手——不同风环境下风力机尾流干扰特性的研究

申报人：刘佳慧 申报日期：2025-01-06

基本情况

2025年批次
“捕”风高手——不同风环境下风力机尾流干扰特性的研究 学生申报
创新训练项目
工学
能源动力类
学生自主选题
一年期
目前很少有学者针对风力机的风致干扰现象进行研究，但其影响不可忽视，本项目旨在研究干扰物对风力机尾流干扰特性的影响，并探讨其提高风电场发电效率的潜力。研究选用NREL（美国可再生能源实验室） 5MW风力机为研究对象，利用CFD（计算流体力学）法进行数值仿真，分析在不同风环境下干扰物的布设位置对下游风力机输出功率的影响。 本项目提出在串列风力机间布设干扰物，通过CFD法找出对下游风力机功率影响最小的工况，进而为优化干扰物布局以提高风电场发电效率提供新思路。
（1）第17届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛三等奖。
（2）第二十三届科技立项获重点项目建设立项。
（3）正在撰写实用新型专利：一种提高风力发电效率的装置。
结构损伤及绿色能源利用、新材料-工业固废、工程结构智慧化和新特功能材料研究
提供了本项目的研究思路，方法以及大量的技术支持。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
刘佳慧 南宁分校 土木工程 2023 统筹规划项目实施
黎紫霞 南宁分校 土木工程 2022 网格质量优化
黎荣 南宁分校 土木工程 2023 气动性分析
伍松科 南宁分校 土木工程 2022 CFD计算
侯文宁 南宁分校 土木工程 2022 工况设定

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
贺伟盼 南宁分校 否
刘茂军 南宁分校 否

立项依据

研究目的
（1）目前很少有学者针对风力机的风致干扰现象进行研究，但其影响又是不可忽略，其存在会造成风电场整体发电功率下降，本项目旨在研究不同风环境下串列风力机风致干扰的规律，得出干扰物的最佳布设工况，进而为风电工程提供利用风致干扰的新思路。
（2）此外，为了更深入地研究风致干扰对尾流的影响，需要投入的实验成本十分巨大，本项目将采用CFD法进行仿真实验，以达到大幅降低研究成本的目的。
（3）通过揭示干扰物对上游风力机尾流影响的规律，从而提升下游风力机的输出功率，可以减少化石燃料的消耗，降低温室气体排放，助力我国的双碳政策的落实。
研究内容
 风力机尾流风致干扰研究：通过控制干扰物与到下游风力机的距离设定不同的工况，研究风力机尾流的干扰特性，为干扰物布局设计和优化提供科学依据。来流风被上游风力机叶片的旋转扰动由无旋运动转变为有旋运动，流体微团产生了剪切变形和转动，随即被干扰物分流为往上的高风速涡流区和往下的低风速区，进而改善下游风力机风场环境。使得下游风力机更高效得利用风电场的风能。例如当有剪切来流风，干扰物为长方体时，串列风力机风致干扰原理示意图如下图1所示：
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                图1串列风力机风致干扰原理示意图
 由风电场的规范可知，在风电场中风电机组行间距不宜小于3倍风轮直径。故在Ansys软件中建立串列上下游风力机距离为3D（风轮直径126m）的流场模型。以干扰物为长方体为例，厚度设为5 m，长为3 D，将干扰物中心到下游风力机距离设为Ly，取Ly=1 D、2 D，干扰物高度设为H，取H为5，15，25，35 m。来流风设为剪切来流风、一年一遇阵风与均匀来流风三种不同的风。在数值仿真中，上游风力机计算数据用于与试验数据对比，下游风力机数据用以得出对工程有益的结论与规律，工况示意图2如下：
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                    图2 工况设置示意图
根据研究的内容，本项目设置工况表如下表1所示：
                   表1 风致干扰工况设置表
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国内、外研究现状和发展动态
 目前，国内学者[1]研究了上游风力机叶轮直径增大和轮毂高度抬升对下游风力机气动性能影响，和尾流特性的研究[2]风切变对尾流特性影响[3]；同时，国外学者[4]对垂向交错的相邻同容量风力机的尾流特性和载荷情况进行分析，发现不同轮毂高度差对尾流场及下游风力机载荷有着明显影响。国内外鲜有学者使用相对简单的方法研究干扰物对风力机尾流的影响。上述国内外学者的研究对多种情况下的尾流特性进行了探讨。
 如何在风电场中更加高效的利用风能成为了本项目的研究内容。干扰物的布设会对风能利用效率产生一定的有益影响[5]。ZANFORLINS通过实验研究发现干扰物作为一种人工屏障，能改变风场结构来改善下游风力机尾流特性[6]。当有剪切来流风的时，上游风力发电机的尾流会降低下游风机的发电功率[7]。干扰物能调整优化风力发电场的风速和风向，使风力发电机运行更加稳定高效[8-10]，促使空气流动，从而降低空气流动不均的问题，间接改善风场环境。
 总体来看，国内外在科技创新与发展上均展现出强劲势头，未来合作与竞争将更加紧密，推动全球科技生态持续演进。近年来，国内对风力机尾流效应的研究日益深入，致力于优化风电场布局、提高发电效率。研究者利用数值模拟和大量实验数据，分析了尾流的速度减小、湍流增强及其对风电场性能的影响。在大型风电场规划方面，考虑了风向变化与风力机间距的关系，力求降低尾流损失。
参考文献
[1] 宗豪华，孙恩博. 水平轴风力机主动尾流控制综述［J］.空气动力学学报，2022，40（4： 51-68）
[2] 王同光，田琳琳，钟伟，等 . 风能利用中的空气动力学 研究进展Ⅱ：入流和尾流特性［J］. 空气动力学学报， 2022，40（4）：22-50.
[3] 韩玉霞，朱长海，金凯宁，陈雪明，杨 斌 切变湍流对风力机尾迹恢复特性影响实验研究，2024-10-16 10:39:15
[4] Mehtab A K, Adeel J, Sehar S, et al. Optimization of a wind farm by coupled actuator disk and mesoscale models to mitigate neighboring wind farm wake interference from repowering perspective[J]. Applied Energy, 2021, 298: 117229.
[5] 王艳. 海上风电场风机选址及电缆线路协同优化算法研究 [D]; 中国石油大学(北京), 2022.
[6] ZANFORLINS，NISHINOT. Fluid dynamics mechanisms of enhanced power generation by closely spaced vertical axis wind turbines［J］.Renewable Energy，2016，99：1213-1226.
[7] Gao X, Li B, Wang T, et al. Investigation and validation of 3D wake model for horizontal-axis wind turbines based on filed measurements[J]. Applied Energy, 2020, 260:114272.
[8] 郑一丹，刘惠文，郑源等. 错列布局风电场尾流演变实验研究［J］. 中国电机工程学报， 2023， 43（4）：1463-1471.
[9] XUEFF， XUC， HUANG HQ，et al. Study on wake characteristics of wind turbine based on Lattice Boltzmann method［J］. Proceedings of the CSEE，2022，42（12）：4352-4363.
[10]李雄威，徐家豪，李庚达等. 一种新修正的风电机组尾流分析模型［J］.太阳能学报，2022，43（8）：260-265.
创新点与项目特色
（1）本研究提出了一种通过配置干扰物来优化风电场尾流干扰的新方法：在串列风力机之间设置干扰物，研究在不同风环境下干扰物的位置对下游风力机的影响尾流的流动特性。使得风场的涡流强度被减少，或者重新分配尾流中的动能，最后找出下游风力机功率损失最小的工况。
（2）研究方法高效节约研究成本：研究主要运用CFD法，精确模拟风力发电机尾流与干扰物之间的相互作用，预测不同工况下的性能表现。该技术与传统的风洞试验相比，通过计算机模拟快速建立虚拟流场模型并进行流体动力学仿真，显著缩短从设计到测试的时间周期，且同时具备较好的准确性。
（3）优化干扰物布局：基于对尾流干扰物影响的研究，提出新的策略，以优化整体发电效率。可以研究如何根据不同风环境调整干扰物的位置，以适应复杂的外界条件，保持高效的发电输出，最后达到节能减排的效果。
技术路线、拟解决的问题及预期成果
1.技术路线：
本项目选用NREL 5MW 风力机，通过软件 profili获取翼型数据，然后在Solidworks软件中建立风力机三维模型。CFD计算中最重要前处理是网格划分，高质量网格对计算结果准确性十分关键。项目的关键步骤在于分析不同工况下结构响应，优化干扰物布局，提高资源的有效利用从而降低成本，最后根据计算的数据总结出规律，得出结论。
技术路线如下图3所示：
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                  图3 技术路线图
2.拟解决的问题：
（1）揭示不同风环境下串列风风力机风致干扰规律。
通过研究确定干扰物的最佳布设方式，从而有效利用风致干扰提升风电场发电效能，扭转当前因风致干扰导致下游风力机发电功率下降的局面，为风电工程开拓创新思路。
（2）将会帮助解决等比例风洞试验成本过高的问题。
在确保研究准确性与科学性的基础上，高效模拟风致干扰实际情况，克服传统深入研究风致干扰时面临的巨大实验成本难题，达到大幅削减研究成本，使研究更具可持续性。
（3）协助解决目前的环境污染问题。
借助对风致干扰的研究成果，实现风电场对自然风能最大化利用，明确能减少多少化石燃料消耗，制定量化指标控制温室气体排放，切实达成节能环保的预期成效，助力风电行业绿色发展。
3.预期成果：
（1）干扰物位置布置的确定
本项目提出一套干扰物合理布置量化方法，能够基于实际复杂风环境，提高风力机工作效率和可靠性，通过改变风场布局环境为风电场的优化布局和运行策略提供科学依据。
（2）尾流控制技术
本项目将提出并验证一种通过布置干扰物来揭示不同来流风对风力机尾流有效的控制技术，能够显著减轻尾流干扰带来的影响，进而提高风电场的整体发电效率和经济效益。
（3）优化运行策略
基于尾流干扰特性的研究成果，制定一套风力发电场的优化运行策略，包括功率输出调整等，以最大限度地提高整个风力发电场的发电效率和稳定性。
最后根据上述的预期研究成果，本项目将会以发表论文或专利的形式来撰写结题报告书。同时也会积极参与挑战杯与创新大赛等各类比赛，力争在比赛中斩获佳绩。
项目研究进度安排
一、项目启动与准备阶段（第1-2个月）
（1）项目立项与团队组建
 确定项目目标、研究内容和预期成果；组建研究团队，明确各成员职责。
（2）理论学习、软件学习与数据收集
 学习风电场相关原理，建立理论基础，学习Origin、Ansys和Solidwork等软件。调研我国各类发电的排污量、运营效果，重点调查风电场的情况。
二、数据分析阶段（第3-6个月）
（1）初步设计与实施
 设计初步的实施方案，按照方案进行数值仿真。
（2）可行性对比与规律总结
 根据设计的工况，根据仿真数据进行验证分析，总结规律，得出结论
三、应用研究阶段（第7-9个月）
（1）应用研究
 在实际工程中运用本项目研究的干扰物布设方式，观察其对提高风力机发电效率的效果及稳定性。
（2）技术文档编制
 编制项目技术报告、实验报告和应用案例等文档。并整理研究成果，为项目验收和成果推广做准备。
四、项目总结和发表成果阶段（第10-12个月）
（1）项目总结
 对整个项目进行总结，包括研究成果、创新点、技术难点等，规划未来发展方向。
（2）发表成果
 申请知识产权、参加2025年全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛，或撰写学术论文与专利等。
（3）项目验收
 提交项目验收报告和相关文档，接受项目验收。根据验收结果，对项目进行总结和反思，为未来的研究提供参考。
项目主持人与团队成员与本项目有关的研究积累如下：
（1）捕“风”高手——防风林对风力机尾流干扰特性的研究获得2024年第十七届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛国家级三等奖。
（2）科技活动月重点项目立项：“捕”风高手——风力机尾流干扰特性的研究
（3）正在撰写实用新型专利：一种提高风电场发电效率的装置。
已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
 具备的条件：指导老师硕士研究方向为风力机尾流与结构损伤，同时本项目成员已经积累了关于在串列风力机中间通过改变防风林的位置与高度，探究对下游风力机输出功率影响规律。最后团队在指导老师的引导下根据本项目的研究内容和已有的基础已经制定了详细的工况，因此具有较强的可行性。
 尚缺少的条件：本项目无法做等比例的大型风洞试验，因此缺少第一手的试验数据。
 解决的方法：通过查找文献的方法找到其他学者的类似试验所得的试验数据与本项目的仿真数值进行对比。即在同一个仿真模型中，上游风力机的仿真结果进行与试验数据对比，以此证明证明方法的可行性，下游风力机的计算数据可以推导得出结论，通过严密的逻辑性来证明研究结果的正确性。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 19500.00 无 16400.00 3100.00
1. 业务费 9500.00 网格划分，论文专利发表等费用。 6400.00 3100.00
（1）计算、分析、测试费 3000.00 高质量网格划分 1500.00 1500.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 3000.00 参加学术会议，或企业调研。 3000.00 0.00
（4）文献检索费 200.00 下载高水平论文。 100.00 100.00
（5）论文出版费 3300.00 发表论文或专利。 1800.00 1500.00
2. 仪器设备购置费 10000.00 购置满足CFD计算的高性能主机。 10000.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 0.00 无 0.00 0.00
结束

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