大气稳定度与风力机尾流的日周期演变研究

The atmospheric thermal effect (atmospheric stability) drives the characteristics of the atmospheric boundary layer (ABL) and its related meteorological parameters to evolve gradually during a diurnal cycle. Since wind turbines operate in the lower part of the ABL, its wake flow will also be strongly affected by the evolution of the atmospheric stability, and finally represented by the characters of strong unsteady, multi-scale and thermodynamic-dynamic process coupling. Under the real atmospheric environment, the unsteady flow mechanisms of the wind turbine wake is still unknown and lack of effective analysis method. In this project, the wake characteristics of a wind turbine for different regimes occurring throughout the diurnal cycle will be investigated systematically by means of mesoscale/small-scale coupling (WRF/LES) simulation. The main aim of this project are: (1) to reproduce the real time evolution of the ABL structures in a daily cycle; (2) to reveal the effect of atmospheric stability on wind turbine wake flow and its structure characteristics, and also to discover the unsteady flow mechanism occurring in the wake flow; (3) to propose a real-time wind turbine wake analytical model, this will provide a high-resolution wake model for wind engineering project. Carrying out of this project has realistic urgency, as well as important scientific and engineering significance.

日周期内，大气热力效应（反映为大气稳定度）驱使边界层结构特性及其气象要素发生演变，运行在边界层内的风力机，其尾流随之呈现强非定常、多尺度、热力-动力过程耦合等特征。在真实的大气环境下，研究风力机尾流非定常流动机理目前国内外还开展甚少，也缺乏有效的手段。本项目将基于中/小尺度模式耦合WRF/LES技术开展大气稳定度和风力机尾流日周期演变研究。拟实现目标：（1）较为真实地再现日周期内大气边界层结构特性的实时演变历程；（2）揭示大气稳定度对风力机尾流流动及结构特性的影响机理，以及风力机尾流非定常流动机理；（3）提出一种考虑多参数耦合的风力机尾流实时预测模型，为风工程项目提供精度较高的尾流效应计算方法。开展这方面研究工作有现实迫切性，也具有重要的科学和工程意义。

大气稳定性的不同会导致湍流风特性的很大差异，当前风工程中普遍采用中性风特性作为风力机入流条件，而忽略了大气稳定性的影响；同时也缺乏相关方法可供使用，造成尾流预测的片面性，严重影响机组发电量评估精度。围绕大气边界层稳定性对风力机尾流结构特性的主要影响因素及其作用机理这一科学问题，本项目进行了三方面研究，具体内容及结果如下：（1）构建了基于中尺度WRF/小尺度LES模式耦合的高精度仿真技术，研究了日周期内大气边界层结构特性的实时演变历程，定性和定量展示了近地层、混合层、夹卷层、残留层和顶盖逆温层受大气稳定性演变的显著影响；（2）采用高精度LES仿真技术，耦合大气热动力场与风力机尾流场，完成了大气稳定度对风力机尾流流动及结构特性的影响机理探索。直观还原了不同大气稳定度下的湍流状态，分析了典型大气稳定性对尾流结构发展、迁移和衰减过程的影响，从方程本身出发剖析了尾流中TKE各作用贡献项（如剪切、对流和湍流输运等）对混合尾流场分布的影响；（3）综合局地环境、来流风速和风力机气动性能等因素，建立了考虑多参数耦合的风力机尾流预测模型，高效准确地预测了大型风电场尾流场的速度分布和湍流强度分布情况。这些研究成果为提高风电场发电效率、安全可靠性和经济性提供了理论参考。通过该项目资助共累计发表8篇学术论文，其中SCI收录7篇，EI收录1篇；申请国家发明专利3项，参加国际会议3次。协助培养博士生2人，硕士生1人。相关研究成果已成功应用于新疆达坂城风电二期项目的风资源分析工作。