【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】風(fēng)電機(jī)組尾流是風(fēng)電場(chǎng)流動(dòng)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(chǎng)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(cè)、建模和控制都面臨諸多困難，是實(shí)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(shí)，浮動(dòng)平臺(tái)引起的風(fēng)輪搖蕩構(gòu)成了新的擾動(dòng)源，增加了尾流演化預(yù)測(cè)復(fù)雜性的維度。國(guó)際電工委員會(huì)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(shí)，應(yīng)額外考慮漂浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)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(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所湍流和大渦模擬團(tuán)隊(duì)在前期工作中(Li, Dong & Yang, J. Fluid Mech., 2022)發(fā)現(xiàn)來(lái)流低湍流度時(shí)主導(dǎo)漂浮式風(fēng)力機(jī)尾流演化的流動(dòng)機(jī)理是剪切層失穩(wěn)，而國(guó)際規(guī)范推薦的DWM模型基于被動(dòng)標(biāo)量輸運(yùn)和泰勒凍結(jié)流假設(shè)，本質(zhì)上無(wú)法考慮該過(guò)程。近日，該團(tuán)隊(duì)在前期工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步克服了尾流預(yù)測(cè)模型中初始擾動(dòng)生成機(jī)理不清、擾動(dòng)演化難以定量預(yù)測(cè)的難題，創(chuàng)新地將風(fēng)輪的致動(dòng)盤(pán)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(shí)現(xiàn)了從風(fēng)輪搖蕩運(yùn)動(dòng)到尾流擬序結(jié)構(gòu)的全過(guò)程預(yù)測(cè)。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(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：(1) 提出了漂浮式風(fēng)力機(jī)的非定常致動(dòng)盤(pán)模型，以致動(dòng)盤(pán)上的非定常氣動(dòng)力來(lái)�；L(fēng)輪搖蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)尾流的初始擾動(dòng)，并且給出了任意搖蕩運(yùn)動(dòng)下風(fēng)輪非定常氣動(dòng)力的計(jì)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(shí)現(xiàn)了從非定常氣動(dòng)力到尾流擬序結(jié)構(gòu)的定量預(yù)測(cè)。(3)發(fā)現(xiàn)了搖蕩誘發(fā)的擬序結(jié)構(gòu)在湍流來(lái)流條件下仍然顯著存在，但擬序結(jié)構(gòu)沿流向的增長(zhǎng)受到抑制，該抑制作用可以通過(guò)湍黏模型進(jìn)行模化。
 

　　該工作通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)非定常氣動(dòng)擾動(dòng)的刻畫(huà)以及對(duì)剪切層失穩(wěn)機(jī)制的動(dòng)力學(xué)建模，完整地構(gòu)造了從任意搖蕩運(yùn)動(dòng)到尾流動(dòng)態(tài)響應(yīng)的正向快速預(yù)測(cè)模型，彌補(bǔ)了國(guó)際規(guī)范模型無(wú)法考慮漂浮式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)的缺陷，把風(fēng)力機(jī)尾流模型的預(yù)測(cè)能力從固定式提升到了運(yùn)動(dòng)解析的新程度，有望成為深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)流動(dòng)預(yù)測(cè)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(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目“非線性力學(xué)的多尺度問(wèn)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