由于计算资源更充足更灵活 , 基于高性能并行计算的CFD仿真软件可以处理上亿的网格量 , 利用上千的CPU并行计算 , 将每个项目CFD仿真的时间从数天降至小时级别 , 这对工程师来说意味着有更多时间进行分析和验证 。
到此 , 一句话总结:新一代风电场CFD仿真软件拥抱高性能计算是不可阻挡的潮流 。
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第二 , 多级别CFD支撑风电场全生命周期管理 。如今 , 风电场CFD仿真应用场景不再局限在风资源评估 。风电场风流CFD仿真软件将深度耦合在风机安全诊断分析、风机维护、风电功率预报、风场协同控制和风电场运行后评估等风电场项目全生命周期管理中 。例如 , 风功率预报需要CFD精确计算至每一台风机;叶片损伤诊断需要风流CFD模型提供风机叶轮面的多点风速高频的时间序列;海上风电场机位排布的关键就是精确地刻画风机叶片旋转带来的尾流效应;风场协同控制需要动态仿真多台风机不同动作的风流特征 。这些需求将促使风流CFD仿真的物理模型更为先进、完善 , 将促使更多研究前沿的CFD技术被引入风电工程领域 。下图描述了风电场全生命周期管理与不同级别的CFD物理模型 。
值得注意的是 , 针对不同阶段的业务需求和具体项目的复杂度 , 风电场风流CFD仿真软件会采用不同级别的物理模型 。一般项目的风资源评估采用稳态、中性大气边界层、雷诺平均Navier-stokes方程的物理模型;复杂项目的风资源评估和风机安全复核可以采用非稳态、热力大气边界层、森林、制动盘尾流模型、雷诺平均Navier-stokes方程的物理模型;风电功率预报和分布式风电场可以采用气象模式耦合雷诺平均Navier-stokes方程的物理模型;风电场协同控制可以采用制动线尾流模型、热力大气边界层、大涡模拟或分离大涡模拟的物理模型 。需要强调的是 , 基于平台化管理 , 将各个阶段数据打通 , 综合利用各个级别的CFD仿真结果 , 才能高效管理好风电场全生命周期各个环节 。
第三 , 精确估算每一个机位点风况 。由于国内新建风电场大多分布在较为复杂的山地 , 项目风险和盈利的难度越来越大 。所以 , 每一台风机风况的精确估算就至关重要 。那么 , 这就需要CFD仿真环节在以下几点上发力:
新一代风流CFD仿真倾向采用更真实的物理模型 。例如 , 能考虑树木增长的森林模型 , 以便精细模拟风机尾流效应的制动盘和制动线模型、高保真刻画大气湍流特征的大涡模拟;通过气象模式提供CFD更真实的边界条件等;通过系统自动化手段保证CFD网格足够精细、参数设置合适和迭代收敛充分 , 避免人为经验不足造成大的模拟偏差;通过大量后评估案例 , 挖掘分析CFD仿真对各个项目的不同表现 , 总结出不同类型项目的CFD优化配置方式;理性对待CFD仿真的精度 , 通过多塔互推、单塔风速廓线比对、湍流强度的比对来定量化CFD仿真的不确定度;标准流程管控CFD的输入资料 , 量化输入资料引起的计算结果不确定性 。
格林威治CFD如何提升风场发电量
在追求风场发电量的进程中 , 虽然提高单个风机性能一直是研发工程师们不断努力的方向 , 但先进的风场控制技术会对风场整体发电量带来更为可观的改变 。
先看这样一个假设:如果将一个风场的所有风机全部分开单独安装 , 那么在同样的风速条件下 , 所有单台风机的发电量总和会高于该风场的整体发电量 。之所以会有如此差异 , 是因为风机之间的相互影响造成了风场整体发电量的损耗 , 这种损耗就被称为尾流损耗 。
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