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风电场多尺度流动模拟和数学模型
作者：葛铭纬 著
出版社：科学出版社
出版时间：2021-12-01
ISBN：9787030698360
定价：¥118.00
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内容简介
风电场流动是风电场工程*为重要的基础问题之一，对于风电场微观选址、优化运行具有重要意义。《风电场多尺度流动模拟和数学模型》总结了作者近年来在风电场多尺度流动模拟和数学建模方面的成果。《风电场多尺度流动模拟和数学模型》共分9章，其中第1章为绪论；第2章介绍了风电场多尺度流动的大涡模拟方法；第3章和第4章分别基于动量定理和质量守恒推导了单台风电机组尾流的二维解析模型；第5章基于风电场数值模拟结果推导了风电场边界层模型，并对其应用场景进行了介绍；第6章和第7章分别对单列风电机组和整场风电机组的协同控制策略进行了介绍；第8章和第9章分别对城市街区与中型风电机组和屋顶小型风电机组的相互作用进行了研究。
作者简介
暂缺《风电场多尺度流动模拟和数学模型》作者简介
目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究方法 4
1.1.1 风电场实测 4
1.1.2 风洞实验 4
1.1.3 CFD数值模拟 5
1.1.4 数学模型 8
1.2 风电机组尾流解析模型研究进展 8
1.2.1 基于质量守恒的尾流解析模型 8
1.2.2 基于动量定理的尾流解析模型 10
1.2.3 现存不足和待研究的问题 11
1.3 风电场边界层模型研究进展 11
1.3.1 风电场边界层模型 11
1.3.2 风电场边界层模型的应用 12
1.3.3 现存不足和待研究的问题 12
1.4 风电场偏航协同控制研究进展 13
1.4.1 串列风电机组偏航协同控制研究进展 13
1.4.2 阵列风电机组偏航协同控制研究进展 15
1.4.3 现存不足和待研究的问题 16
1.5 城市风电与城市街区的相互影响研究进展 16
1.5.1 城市中的风力发电机 16
1.5.2 城市大气流动相关研究进展 18
1.5.3 现存不足和待研究的问题 20
本章小结 20
参考文献 21
第2章 大涡模拟方法 31
2.1 大涡模拟方法介绍 31
2.1.1 控制方程 31
2.1.2 拉格朗日动力模型 32
2.1.3 边界条件 34
2.1.4 风电机组模型 36
2.1.5 数值求解方法 39
2.2 大涡模拟方法验证 41
2.3 单台风电机组尾流的大涡模拟研究 42
2.3.1 算例设置 42
2.3.2 尾流演化过程分析 44
2.3.3 小结 51
2.4 偏航风电机组尾流的大涡模拟研究 51
2.4.1 算例设置 51
2.4.2 不同偏航角下风电机组的尾流演化过程 52
2.4.3 小结 59
本章小结 59
参考文献 59
第3章 基于动量定理的尾流二维解析模型 62
3.1 引言 62
3.2 基于动量定理的经典尾流模型 62
3.2.1 一维尾流模型 62
3.2.2 二维尾流模型 63
3.2.3 模型存在的问题 65
3.3 MTG模型 65
3.3.1 真实尾流边界的确定 66
3.3.2 J值的确定 69
3.3.3 与BP模型的对比 71
3.4 模型验证 73
3.4.1 激光雷达测风实验 73
3.4.2 GH风洞实验 75
3.4.3 EWTW风电场实测实验 77
3.4.4 高粗糙度风洞实验 79
本章小结 80
参考文献 81
第4章 基于质量守恒的尾流二维解析模型 83
4.1 引言 83
4.2 基于质量守恒的经典尾流模型 83
4.3 MCG模型 86
4.3.1 压力恢复区的速度损失 87
4.3.2 远场尾流区的速度损失 89
4.3.3 尾流线性膨胀模型 90
4.4 近场尾流区的改进 91
4.5 模型验证 93
4.5.1 大涡模拟仿真 93
4.5.2 TNO风洞实验 95
4.5.3 甘肃雷达测风实验 96
4.5.4 Sexbierum陆上风电场实测实验 97
4.6 与动量定理模型的对比 99
本章小结 100
参考文献 101
第5章 风电场边界层模型 103
5.1 引言 103
5.2 经典的风电场边界层模型 103
5.3 不同间距特征的风电场大涡模拟研究 106
5.3.1 算例设置 106
5.3.2 不同间距特征风电场的流场分析 108
5.3.3 不同间距特征风电场的边界层结构分析 110
5.3.4 风电场尾流层的流动不均匀分析 111
5.4 风电场边界层模型 113
5.4.1 考虑流动不均匀的风电场边界层模型 113
5.4.2 改进的R-Jensen尾流模型 116
5.4.3 耦合模型 119
5.5 计算结果分析 121
5.5.1 模型验证 121
5.5.2 尾流模型的敏感性分析 124
5.5.3 地面粗糙度的影响 125
5.6 实际风电场功率预测 126
5.6.1 考虑入口效应的尾流边界层模型 127
5.6.2 功率预测结果分析 128
5.7 风电场边界层湍流统计量的预测模型 129
5.7.1 风电场边界层流向和展向脉动速度分布规律 129
5.7.2 风电场边界层垂向动量通量的变化规律 131
5.7.3 风电场边界层湍流统计量预测模型 133
本章小结 135
参考文献 136
第6章 单列风电机组的偏航协同控制 138
6.1 引言 138
6.2 串列风电机组偏航协同控制优化方法 138
6.2.1 偏航尾流模型 138
6.2.2 速度叠加模型及功率计算 141
6.2.3 优化算法与流程 142
6.3 控制策略 143
6.3.1 优化空间的简化 143
6.3.2 确定偏航角的广义公式 145
6.4 数值验证 150
本章小结 153
参考文献 154
第7章 风电场整场功率优化协同控制 156
7.1 引言 156
7.2 风电场协同控制优化方法 156
7.3 实际风电场的偏航协同控制 159
7.3.1 优化结果分析 160
7.3.2 优化方案分析 164
7.4 基于推力分配的功率协同控制 165
7.4.1 优化方法 165
7.4.2 优化结果 166
7.5 推力分配与偏航相结合的功率协同控制 168
7.5.1 优化方法 168
7.5.2 优化结果 168
7.5.3 三种协同控制方法的对比 169
本章小结 170
参考文献 170
第8章 城市街区与中型风电机组的相互作用 171
8.1 引言 171
8.2 算例设置 171
8.3 街区作用下风电机组的尾流演化 172
8.3.1 风电机组尾流形态 172
8.3.2 风电机组尾流演化机理 175
8.4 风电机组对街区风环境的影响 179
8.4.1 街区中速度分布 179
8.4.2 街区中湍流度分布 181
本章小结 182
参考文献 183
第9章 屋顶小型风电机组与城市街区的相互作用 184
9.1 引言 184
9.2 算例设置 184
9.3 城市街区周围的风资源特性 186
9.3.1 速度分布 186
9.3.2 湍流度分布 188
9.4 屋顶风电机组发电特性 190
9.4.1 功率输出特性 190
9.4.2 功率波动特性 194
9.5 屋顶风电机组对街区风环境的影响 195
9.5.1 速度影响 195
9.5.2 湍流度影响 197
本章小结 197
参考文献 198
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究方法 4
1.1.1 风电场实测 4
1.1.2 风洞实验 4
1.1.3 CFD数值模拟 5
1.1.4 数学模型 8
1.2 风电机组尾流解析模型研究进展 8
1.2.1 基于质量守恒的尾流解析模型 8
1.2.2 基于动量定理的尾流解析模型 10
1.2.3 现存不足和待研究的问题 11
1.3 风电场边界层模型研究进展 11
1.3.1 风电场边界层模型 11
1.3.2 风电场边界层模型的应用 12
1.3.3 现存不足和待研究的问题 12
1.4 风电场偏航协同控制研究进展 13
1.4.1 串列风电机组偏航协同控制研究进展 13
1.4.2 阵列风电机组偏航协同控制研究进展 15
1.4.3 现存不足和待研究的问题 16
1.5 城市风电与城市街区的相互影响研究进展 16
1.5.1 城市中的风力发电机 16
1.5.2 城市大气流动相关研究进展 18
1.5.3 现存不足和待研究的问题 20
本章小结 20
参考文献 21
第2章 大涡模拟方法 31
2.1 大涡模拟方法介绍 31
2.1.1 控制方程 31
2.1.2 拉格朗日动力模型 32
2.1.3 边界条件 34
2.1.4 风电机组模型 36
2.1.5 数值求解方法 39
2.2 大涡模拟方法验证 41
2.3 单台风电机组尾流的大涡模拟研究 42
2.3.1 算例设置 42
2.3.2 尾流演化过程分析 44
2.3.3 小结 51
2.4 偏航风电机组尾流的大涡模拟研究 51
2.4.1 算例设置 51
2.4.2 不同偏航角下风电机组的尾流演化过程 52
2.4.3 小结 59
本章小结 59
参考文献 59
第3章 基于动量定理的尾流二维解析模型 62
3.1 引言 62
3.2 基于动量定理的经典尾流模型 62
3.2.1 一维尾流模型 62
3.2.2 二维尾流模型 63
3.2.3 模型存在的问题 65
3.3 MTG模型 65
3.3.1 真实尾流边界的确定 66
3.3.2 J值的确定 69
3.3.3 与BP模型的对比 71
3.4 模型验证 73
3.4.1 激光雷达测风实验 73
3.4.2 GH风洞实验 75
3.4.3 EWTW风电场实测实验 77
3.4.4 高粗糙度风洞实验 79
本章小结 80
参考文献 81
第4章 基于质量守恒的尾流二维解析模型 83
4.1 引言 83
4.2 基于质量守恒的经典尾流模型 83
4.3 MCG模型 86
4.3.1 压力恢复区的速度损失 87
4.3.2 远场尾流区的速度损失 89
4.3.3 尾流线性膨胀模型 90
4.4 近场尾流区的改进 91
4.5 模型验证 93
4.5.1 大涡模拟仿真 93
4.5.2 TNO风洞实验 95
4.5.3 甘肃雷达测风实验 96
4.5.4 Sexbierum陆上风电场实测实验 97
4.6 与动量定理模型的对比 99
本章小结 100
参考文献 101
第5章 风电场边界层模型 103
5.1 引言 103
5.2 经典的风电场边界层模型 103
5.3 不同间距特征的风电场大涡模拟研究 106
5.3.1 算例设置 106
5.3.2 不同间距特征风电场的流场分析 108
5.3.3 不同间距特征风电场的边界层结构分析 110
5.3.4 风电场尾流层的流动不均匀分析 111
5.4 风电场边界层模型 113
5.4.1 考虑流动不均匀的风电场边界层模型 113
5.4.2 改进的R-Jensen尾流模型 116
5.4.3 耦合模型 119
5.5 计算结果分析 121
5.5.1 模型验证 121
5.5.2 尾流模型的敏感性分析 124
5.5.3 地面粗糙度的影响 125
5.6 实际风电场功率预测 126
5.6.1 考虑入口效应的尾流边界层模型 127
5.6.2 功率预测结果分析 128
5.7 风电场边界层湍流统计量的预测模型 129
5.7.1 风电场边界层流向和展向脉动速度分布规律 129
5.7.2 风电场边界层垂向动量通量的变化规律 131
5.7.3 风电场边界层湍流统计量预测模型 133
本章小结 135
参考文献 136
第6章 单列风电机组的偏航协同控制 138
6.1 引言 138
6.2 串列风电机组偏航协同控制优化方法 138
6.2.1 偏航尾流模型 138
6.2.2 速度叠加模型及功率计算 141
6.2.3 优化算法与流程 142
6.3 控制策略 143
6.3.1 优化空间的简化 143
6.3.2 确定偏航角的广义公式 145
6.4 数值验证 150
本章小结 153
参考文献 154
第7章 风电场整场功率优化协同控制 156
7.1 引言 156
7.2 风电场协同控制优化方法 156
7.3 实际风电场的偏航协同控制 159
7.3.1 优化结果分析 160
7.3.2 优化方案分析 164
7.4 基于推力分配的功率协同控制 165
7.4.1 优化方法 165
7.4.2 优化结果 166
7.5 推力分配与偏航相结合的功率协同控制 168
7.5.1 优化方法 168
7.5.2 优化结果 168
7.5.3 三种协同控制方法的对比 169
本章小结 170
参考文献 170
第8章 城市街区与中型风电机组的相互作用 171
8.1 引言 171
8.2 算例设置 171
8.3 街区作用下风电机组的尾流演化 172
8.3.1 风电机组尾流形态 172
8.3.2 风电机组尾流演化机理 175
8.4 风电机组对街区风环境的影响 179
8.4.1 街区中速度分布 179
8.4.2 街区中湍流度分布 181
本章小结 182
参考文献 183
第9章 屋顶小型风电机组与城市街区的相互作用 184
9.1 引言 184
9.2 算例设置 184
9.3 城市街区周围的风资源特性 186
9.3.1 速度分布 186
9.3.2 湍流度分布 188
9.4 屋顶风电机组发电特性 190
9.4.1 功率输出特性 190
9.4.2 功率波动特性 194
9.5 屋顶风电机组对街区风环境的影响 195
9.5.1 速度影响 195
9.5.2 湍流度影响 197
本章小结 197
参考文献 198
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