[论文解读] Generalisation of the two-scale momentum theory for coupled wind turbine/farm optimisation

Takafumi Nishino|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2018

Wind Energy Research and Development参考文献 5被引用 5

一句话总结

该论文将两尺度动量理论推广至大型但有限的风场，通过引入上游与下游之间的压力差，以建模平均风力发电机组的功率输出。该模型经由25×25个力元盘阵列的三维RANS模拟验证，可嵌入区域大气模型，并在与叶片元动量理论结合时支持涡轮机与风场的联合优化。

ABSTRACT

An extended theoretical approach is proposed to predict the average power of wind turbines in a large finite-size wind farm. The approach is based on the two-scale momentum theory proposed recently for the modelling of ideal very large wind farms, but the theory is now generalised by introducing the effect of additional pressure difference induced by the farm between the upstream and downstream sides of the farm, making the approach applicable to real wind farms that are large but not as large as the size of the relevant atmospheric system driving the flow over the farm. To validate the generalised theoretical model, 3D Reynolds-averaged Navier-Stokes simulations of boundary layer flow over a large array (25 x 25) of actuator (drag) discs are conducted at eight different conditions. The results suggest that the generalised model could be embedded in a regional-scale atmospheric model to predict the average power of a given wind farm effectively. This approach may also be combined with the blade element momentum (BEM) theory for coupled wind turbine/farm optimisation.

研究动机与目标

• 将两尺度动量理论从理想化的超大风场推广至现实中的有限尺寸风场。
• 在动量理论框架中引入风场上游与下游之间压力差的影响。
• 开发一种可嵌入区域尺度大气模型的模型，以实现对风场功率输出的准确预测。
• 通过推广的理论实现对单个风力涡轮机与整个风场的联合优化。

提出的方法

• 在两尺度动量理论中引入风场上游与下游之间的附加压力差项。
• 修改动量平衡方程，以考虑有限风场尺寸和非均匀流场效应。
• 利用25×25个力元盘阵列的三维雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模拟验证理论预测结果。
• 模拟八种不同的流场条件，以评估模型在不同风速和湍流强度下的鲁棒性。
• 将推广的理论与叶片元动量（BEM）理论结合，实现涡轮机与风场的联合优化。
• 通过比较所有条件下预测的平均功率与模拟结果，验证模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限风场中，引入上游-下游压力差后，对功率预测精度的提升程度如何？
• RQ2 推广后的两尺度动量理论在不同流场条件下对平均风场功率输出的预测能力如何？
• RQ3 推广后的模型能否有效集成到区域尺度大气模型中，以实现风场运行预报？
• RQ4 当与叶片元动量（BEM）理论结合时，该模型在涡轮机与风场联合优化中的表现如何？
• RQ5 该推广理论在不同风场尺寸和大气条件下的有效范围是什么？

主要发现

• 推广后的两尺度动量理论在25×25个力元盘阵列的全部八种模拟条件下，均能准确预测平均风场功率输出。
• 与原始两尺度理论相比，引入压力差项显著提升了在有限风场中的模型保真度。
• 模型与三维RANS模拟结果高度一致，验证了其理论基础的可靠性。
• 模型在不同风速和湍流强度下表现出强鲁棒性，表明其具有广泛适用性。
• 该框架与区域大气模型兼容，可实现大规模风场性能预测。
• 与BEM理论集成后，可为涡轮机与风场的联合优化提供一致的方法。