以大渦流法模擬風場跡流特性

Abstract

本研究使用大渦流法模擬風場跡流，以標準Smagorinsky模型搭配Mason阻尼函數計算次網格尺度剪力。本研究以有限體積法離散統御方程式，並以SIMPLE演算法分離速度及壓力的耦合。本研究使用超正切函數為擬合函數的限界中央差分法近似對流項以及致動盤模型考慮風機葉片對流場的作用力。本研究以自行編寫的WIFA3D-LES程式實踐上述大渦流法的數值模擬架構。本研究經由詳盡的參數研究獲得以下成果：根據三組Smagorinsky常數案例結果，建議Smagorinsky常數為0.032；時間平均流場結果對於庫朗數0.04至0.14間的時間步進不敏感；環境紊流強度與地表粗糙度呈現正向關係；與立方體網格相較，使用長方體網格的數值解具有較快的收斂速度。在單風機模擬上，本研究的風機跡流速度分佈與參考文獻相比相當符合，但在紊流強度的差異較大。以本研究方法預測Horns Rev離岸風場三個風向風速8m/s條件下的功率，功率低估誤差為3%~20%。本研究所採用的數值模型低估塔柱高度以上紊流強度。由於使用限界中央差分法，使得風機前方的紊流強度受到人為干擾造成衰減。在對於兩型功率不同風機的紊流生成的分析中，無因次化的轉子面上紊流生成總量，正比於功率係數的3/2次方與葉尖速比的1/3次方。