中性大气边界层中风力机的湍流是怎样演化的呢？学术资讯

来源：科学通报

大气边界层中的气流运动主要由不同强度的湍流流动构成，具有很大的随机性。大气运动中的湍流受温度、地形、地表粗糙度、大气稳定性等因素的影响，不同环境中湍流特性不同，对风力机性能影响也不同。由于弃风限电问题，平坦地区的在建风场越来越少，风场逐渐向非平坦地区发展。非平坦地区的来流风况具有高湍流强度特征，而高湍流强度来流与叶片疲劳载荷的增加以及风力机的寿命之间存在直接关系。诸多学者主要针对来流湍流结构对载荷的响应及大小的影响开展研究，但对大气湍流在风轮前后的演化过程及其对风力机载荷影响的机理分析仍显不足。

上海交通大学船舶与海洋工程学院李晔、中国科学院力学研究所胡文瑞课题组针对兰州理工大学外场试验风电机组，研究了中性大气边界层中风力机流场的湍流演化过程及其与叶根载荷的相关性。图1为数值模拟监测点示意图。

图1 数值模拟监测点示意图

在计算过程中，使用OpenFOAM开源软件中美国可再生能源实验室开发的SOWFA(the simulator for offshore wind farm applications)代码进行数值计算。计算过程分为两部分：（1）利用大涡模拟生成湍流大气风况和风力机尾流；（2）利用致动线对风力机叶片进行建模。首先利用大涡模拟生成无风力机的中性大气边界层，然后将风力机置于中性大气边界层中，采用大涡模拟耦合制动线模型的方法，模拟风力机在中性大气边界层中的流场（图2），研究风力机与大气边界层的相互作用。通过连续小波分析、频谱分析和相关性分析（图3），研究中性大气边界层中风力机前、后的湍流演化过程及其与叶根载荷的相关性。

图2 中性大气边界层中风力机的湍流

图3 多分辨率分析. (a) 叶根挥舞载荷; (b) B点雷诺应力分量; (c) D点雷诺应力分量

研究结果表明，从风轮前1D 处运动到后1D 处时，大气中的湍流强度逐渐变大，尾流中的湍流强度最大，并且其差异主要出现在低频部分。相比来流和风轮平面处的湍流结构，尾流处的湍流进入耗散区时的频率更低。受到风轮旋转的影响，风轮平面处的湍流相比其他位置存在更强的小尺度湍流结构，这些小尺度的湍流在向下游传播过程中不断耗散，在风轮后1D 处小尺度湍流能量基本耗散，湍流主要以较大尺度的结构运动。叶尖位置处出现了规律性很强的小尺度湍流，出现频率约为1.82 Hz，正好与叶片的通过频率相对应。低频湍流结构对叶根挥舞载荷的低频段影响显著，高频湍流结对叶根挥舞载荷的高频段影响明显。叶尖高频湍流结构相对于叶根高频湍流结构，频率更高，能量更大，其对叶根挥舞载荷高频段的影响更加明显。叶尖高频湍流与叶根挥舞载荷的高频部分表现出了一致的周期性变化规律。小尺度湍流结构含有的能量远小于大尺度湍流结构所携带能量，其对叶根挥舞载荷的影响较弱。

李德顺, 郭涛, 李伟, 胡进森, 李银然, 李仁年, 李晔, 胡文瑞. 中性大气边界层中风力机的湍流演化及叶根载荷分析. 科学通报, 2019, 64(17): 1832-1843

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