导流板对水平轴风力机气动特性影响的数值模拟研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23161

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 336-343.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23161

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导流板对水平轴风力机气动特性影响的数值模拟研究

张立栋¹, 杨智翔¹, 李文锋¹, 冯江哲², 张博², 任淮辉², 陈哲³, 王兆新³

^1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省吉林市 132000
^2.龙源(北京)新能源工程技术有限公司，北京市西城区 100032
^3.吉林龙源新能源有限公司，吉林省白城市 137000

收稿日期:2024-07-01 修回日期:2024-09-20 出版日期:2025-04-30 发布日期:2025-04-23
作者简介:张立栋(1980)，男，博士，教授，主要研究方向为新能源发电技术，nedu1015@aliyun.com。
基金资助:
吉林省科技厅重点研发项目(20200403141SF);国家重点实验室开放课题(D2020Y004-3);龙源(北京)新能源工程技术有限公司科技项目(LYH-2021-17)

Numerical Simulation Study on Effect of Deflectors on Aerodynamic Characteristics of Horizontal Axis Wind Turbines

Lidong ZHANG¹, Zhixiang YANG¹, Wenfeng LI¹, Jiangzhe FENG², Bo ZHANG², Huaihui REN², Zhe CHEN³, Zhaoxin WANG³

^1.School of Energy and Power Engineering, Northeast Electricity Power University, Jilin 132000, Jilin Province, China
^2.Longyuan (Beijing) New Energy Engineering Technology Co. , Ltd. , Xicheng District, Beijing 100032, China
^3.Jilin Longyuan New Energy Co. , Ltd. , Baicheng 137000, Jilin Province, China

Received:2024-07-01 Revised:2024-09-20 Published:2025-04-30 Online:2025-04-23
Supported by:
Key Research and Development Projects of Jilin Provincial Science and Technology Department(20200403141SF);Open Project of State Key Laboratory(D2020Y004-3);Science and Technology Project of Longyuan (Beijing) New Energy Engineering Technology Co., Ltd(LYH-2021-17)

摘要/Abstract

摘要：

目的导流板可以改变风电场流量分配，在现有风电场中，增设导流板是提高风力机捕获风能的有效方法之一。为量化导流板影响，通过设置导流板工况，得到不同工况下风场速度分布以及风力机输出功率。方法将导流板倾角、长度、导流板与风力机间距3个因素进行3水平正交组合，基于雷诺时均Navier-Stokes (Reynolds averaged Navier-Stokes，RANS)方法进行数值模拟，最大限度地提高风力机功率。结果不同的导流板倾角、长度、导流板与风力机间距，对风力机入流风速和输出功率产生了不同程度的影响。在这3种影响因素中，导流板倾角对风力机入流风速和输出功率的影响最为显著，其次是导流板长度，最后是导流板与风力机间距。结论研究结果为提高风力机输出功率提供了参考依据，有助于优化风能利用中导流板的设计与应用。

关键词: 可再生能源, 风电, 风资源, 风力机, 导流板, 气动特性, 数值模拟

Abstract:

Objectives Deflectors can modify flow distribution within wind farms, and their integration into existing wind farms is an effective method for improving wind energy capture by wind turbines. To quantify the effect of deflectors, various operating conditions of deflectors are established to obtain the velocity distribution within the wind field and the wind turbine output power under different conditions. Methods A three-level orthogonal combination of three factors of deflector inclination angle, length, and distance between the deflector and the wind turbine is conducted. Numerical simulations based on the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) method are performed to maximize the power output of the wind turbine. Results Different deflector inclination angles, lengths, and distances between the deflector and the wind turbine have varying degrees of effect on inflow wind velocity and wind turbine output power. Among these influencing factors, the inclination angle has the most significant effect on the inflow wind velocity and output power of the wind turbine, followed by the deflector length, and finally the distance between the deflector and the wind turbine. Conclusions The findings provide valuable guidance for improving wind turbine power output and optimizing the design and application of deflectors in wind energy utilization.

Key words: renewable energy, wind power, wind resource, wind turbine, deflector, aerodynamic characteristics, numerical simulation

中图分类号:

TK 83

张立栋, 杨智翔, 李文锋, 冯江哲, 张博, 任淮辉, 陈哲, 王兆新. 导流板对水平轴风力机气动特性影响的数值模拟研究[J]. 发电技术, 2025, 46(2): 336-343.

Lidong ZHANG, Zhixiang YANG, Wenfeng LI, Jiangzhe FENG, Bo ZHANG, Huaihui REN, Zhe CHEN, Zhaoxin WANG. Numerical Simulation Study on Effect of Deflectors on Aerodynamic Characteristics of Horizontal Axis Wind Turbines[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(2): 336-343.

图/表 11

表1 NREL 5 MW风力机主要设计参数

Tab. 1 Main design parameters of NREL 5 MW wind turbine

参数	数值
额定功率P₀/MW	5
额定风速v₀/(m∙s^-1)	11.4
风轮直径D/m	126
轮毂高度H_hub/m	90

表2 正交试验设计方案

Tab. 2 Orthogonal experimental design schemes

工况	α/(°)	H/m	L_w/m
1	90	0.25H_hub	4H_hub
2	90	0.45H_hub	2H_hub
3	90	0.35H_hub	H_hub
4	60	0.35H_hub	4H_hub
5	60	0.25H_hub	2H_hub
6	60	0.45H_hub	H_hub
7	30	0.45H_hub	4H_hub
8	30	0.35H_hub	2H_hub
9	30	0.25H_hub	H_hub

表3 网格无关性验证

Tab. 3 Grid independence verification

案例	总网格数	输出功率/kW
1	7 105 220	2 202.29
2	6 268 319	2 201.49
3	4 320 466	2 199.88
4	2 600 673	2 178.14
5	1 092 920	2 106.50

图1 模型网格划分

Fig. 1 Model mesh division

图2 倾斜角90°流场平均速度云图

Fig. 2 Contour map of average flow field velocity at an inclination angle of 90°

图3 风力机前0.5Hhub风廓线(α=90°)

Fig. 3 Wind profile at 0.5Hhub upstream of the windturbine (α=90°)

图4 倾斜角60°流场平均速度云图

Fig. 4 Contour map of average flow field velocity at an inclination angle of 60°

图5 风力机前0.5Hhub风廓线(α=60°)

Fig. 5 Wind profile at 0.5Hhub upstream of the windturbine (α=60°)

图6 倾斜角30°流场平均速度云图

Fig. 6 Contour map of average flow field velocity at an inclination angle of 30°

图7 风力机前0.5Hhub风廓线(α=30°)

Fig. 7 Wind profile at 0.5Hhub upstream of the windturbine (α=30°)

表4 各工况对风力机输出功率的影响

Tab. 4 Effect of operating conditions on wind turbine output power

工况	倾斜角α/(°)	输出功率/kW	(负)增长率γ/%
1	90	2 169.88	-0.89
2	90	2 205.99	0.76
3	90	2 194.68	0.24
4	60	2 225.35	1.64
5	60	2 215.90	1.21
6	60	2 402.67	9.74
7	30	2 206.83	0.79
8	30	2 203.76	0.65
9	30	2 203.16	0.63

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导流板对水平轴风力机气动特性影响的数值模拟研究

Numerical Simulation Study on Effect of Deflectors on Aerodynamic Characteristics of Horizontal Axis Wind Turbines

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