【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】風(fēng)電機(jī)組尾流是風(fēng)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(fēng)電場發(fā)電功率、結(jié)構(gòu)所受疲勞載荷和風(fēng)電并網(wǎng)，其預(yù)測、建模和控制都面臨諸多困難，是實現(xiàn)風(fēng)能規(guī)?；咝Ю玫闹匾魬?zhàn)。特別當(dāng)考慮到漂浮式風(fēng)力機(jī)時，浮動平臺引起的風(fēng)輪搖蕩構(gòu)成了新的擾動源，增加了尾流演化預(yù)測復(fù)雜性的維度。國際電工委員會技術(shù)規(guī)范(IEC 61400-3-2)規(guī)定，在使用其推薦的尾流模型時，應(yīng)額外考慮漂浮式基礎(chǔ)的運動響應(yīng)，但未提供適用于漂浮式風(fēng)力機(jī)的尾流模型。
 

　　中國科學(xué)院力學(xué)研究所湍流和大渦模擬團(tuán)隊在前期工作中(Li, Dong & Yang, J. Fluid Mech., 2022)發(fā)現(xiàn)來流低湍流度時主導(dǎo)漂浮式風(fēng)力機(jī)尾流演化的流動機(jī)理是剪切層失穩(wěn)，而國際規(guī)范推薦的DWM模型基于被動標(biāo)量輸運和泰勒凍結(jié)流假設(shè)，本質(zhì)上無法考慮該過程。近日，該團(tuán)隊在前期工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步克服了尾流預(yù)測模型中初始擾動生成機(jī)理不清、擾動演化難以定量預(yù)測的難題，創(chuàng)新地將風(fēng)輪的致動盤模型融入了湍流分析的預(yù)解算子方法之中，構(gòu)造了適用于漂浮式風(fēng)力機(jī)尾流的M2W模型(motion-to-wake model)，成功地實現(xiàn)了從風(fēng)輪搖蕩運動到尾流擬序結(jié)構(gòu)的全過程預(yù)測。相關(guān)研究成果以“Resolvent-based motion-to-wake modelling of wind turbine wakes under dynamic rotor motion”為題發(fā)表在力學(xué)重要刊物Journal of Fluid Mechanics上。
 

　　該工作包含以下三個創(chuàng)新點：(1) 提出了漂浮式風(fēng)力機(jī)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(fēng)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(fēng)輪非定常氣動力的計算方法。(2)建立了風(fēng)力機(jī)尾流的預(yù)解算子模型，突破了穩(wěn)定性分析只能獲得敏感頻率的局限，實現(xiàn)了從非定常氣動力到尾流擬序結(jié)構(gòu)的定量預(yù)測。(3)發(fā)現(xiàn)了搖蕩誘發(fā)的擬序結(jié)構(gòu)在湍流來流條件下仍然顯著存在，但擬序結(jié)構(gòu)沿流向的增長受到抑制，該抑制作用可以通過湍黏模型進(jìn)行?；?。
 

　　該工作通過對風(fēng)力機(jī)非定常氣動擾動的刻畫以及對剪切層失穩(wěn)機(jī)制的動力學(xué)建模，完整地構(gòu)造了從任意搖蕩運動到尾流動態(tài)響應(yīng)的正向快速預(yù)測模型，彌補(bǔ)了國際規(guī)范模型無法考慮漂浮式基礎(chǔ)運動的缺陷，把風(fēng)力機(jī)尾流模型的預(yù)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(yuǎn)海風(fēng)電場流動預(yù)測和控制優(yōu)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(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目“非線性力學(xué)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(fēng)力機(jī)的尾流
 

　　圖2 漂浮式風(fēng)力機(jī)M2W尾跡模型(motion-to-wake model)框架