【儀表網 研發快訊】風電機組尾流是風電場流動的基本元素，具有非定常、非線性、多尺度等特性，與大氣邊界層湍流雙向耦合，影響風電場發電功率、結構所受疲勞載荷和風電并網，其預測、建模和控制都面臨諸多困難，是實現風能規模化高效利用的重要挑戰。特別當考慮到漂浮式風力機時，浮動平臺引起的風輪搖蕩構成了新的擾動源，增加了尾流演化預測復雜性的維度。國際電工委員會技術規范(IEC 61400-3-2)規定，在使用其推薦的尾流模型時，應額外考慮漂浮式基礎的運動響應，但未提供適用于漂浮式風力機的尾流模型。
中國科學院力學研究所湍流和大渦模擬團隊在前期工作中(Li, Dong & Yang, J. Fluid Mech., 2022)發現來流低湍流度時主導漂浮式風力機尾流演化的流動機理是剪切層失穩，而國際規范推薦的DWM模型基于被動標量輸運和泰勒凍結流假設，本質上無法考慮該過程。近日，該團隊在前期工作的基礎上，進一步克服了尾流預測模型中初始擾動生成機理不清、擾動演化難以定量預測的難題，創新地將風輪的致動盤模型融入了湍流分析的預解算子方法之中，構造了適用于漂浮式風力機尾流的M2W模型(motion-to-wake model)，成功地實現了從風輪搖蕩運動到尾流擬序結構的全過程預測。相關研究成果以“Resolvent-based motion-to-wake modelling of wind turbine wakes under dynamic rotor motion”為題發表在力學重要刊物Journal of Fluid Mechanics上。
該工作包含以下三個創新點：(1) 提出了漂浮式風力機的非定常致動盤模型，以致動盤上的非定常氣動力來模化風輪搖蕩運動對尾流的初始擾動，并且給出了任意搖蕩運動下風輪非定常氣動力的計算方法。(2)建立了風力機尾流的預解算子模型，突破了穩定性分析只能獲得敏感頻率的局限，實現了從非定常氣動力到尾流擬序結構的定量預測。(3)發現了搖蕩誘發的擬序結構在湍流來流條件下仍然顯著存在，但擬序結構沿流向的增長受到抑制，該抑制作用可以通過湍黏模型進行模化。
該工作通過對風力機非定常氣動擾動的刻畫以及對剪切層失穩機制的動力學建模，完整地構造了從任意搖蕩運動到尾流動態響應的正向快速預測模型，彌補了國際規范模型無法考慮漂浮式基礎運動的缺陷，把風力機尾流模型的預測能力從固定式提升到了運動解析的新程度，有望成為深遠海風電場流動預測和控制優化的新工具。
李曌斌副研究員為論文的第一作者，楊曉雷研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委基礎科學中心項目“非線性力學的多尺度問題研究”以及面上、青年基金的資助。
圖1 漂浮式風力機的尾流
圖2 漂浮式風力機M2W尾跡模型(motion-to-wake model)框架
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