大气稳定度对风力机尾流演化的影响规律研究

The effect of wind-turbine wakes, which can significantly decrease power output and increase fatigue loads of wind turbines, becomes a hotspot in the research field of wind energy. In the actual atmosphere, the evolution of wind-turbine wakes is closely related to the atmospheric stability. However, the related researches are not systematical enough and lead to a lack of regular recognition. By introducing the complex physical procedures including surface heat fluxes, air buoyancy effect, etc., the effect of atmospheric stability on wake evolution of wind turbine will be systematically studied via numerical simulation. Firstly, a reliable LES method for wind-turbine wakes will be established based on the actuator surface model, in which the body force distribution, the grids on the actuator surface and the turbulent subgrid scale model will be mainly focused. Secondly, numerical simulation will be conducted to obtain the generation and development process of the vortex as well as the evolution of the large scale meandering motion after the wind turbine at different atmospheric stabilities. And the mechanism of the air buoyancy effect on the evolution of wind-turbine wake will be revealed from different perspectives. Thirdly, the effect of atmospheric stability on wake statistical characteristics such as the frequency and shape of the large scale motion, the velocity deficit and turbulent intensity level will be disclosed quantitatively, and the wake model suitable to complex atmospheric thermal stratification state will be finally developed. This project is aimed to deepen the understanding of wind-turbine wake and improve prediction accuracy of wake model, providing theoretical basis for the design and the operation optimization of wind farm.

风力机尾流效应显著影响风力机运行效率和疲劳载荷，是目前风电领域的研究热点之一。在实际大气中，风力机尾流演化和大气稳定度密切相关，但相关研究还不够系统，仍缺乏规律性认识。本课题将采用数值计算，模拟地表热通量、大气浮力效应等复杂物理过程，系统研究大气稳定度对风力机尾流演化的影响规律，主要研究内容如下：（1）基于制动面模型，通过体积力分布、制动面网格处理和亚格子模型优化等研究，发展可靠的风力机尾流大涡模拟方法。（2）在不同大气稳定状态下，通过数值模拟获取风力机尾流涡系产生、发展以及大尺度摆振运动演化的全过程，多角度揭示大气浮力效应对风力机尾流演化的影响机制。（3）定量揭示大气稳定度对尾流大尺度运动频率、形态及尾流损失、湍流度等统计特征的影响规律，建立适用于复杂大气稳定状态的尾流数学模型。本课题旨在加深对风力机尾流的理解，提高风力机尾流预测精度，为风电场规划设计、优化运行和功率预测等提供理论依据。

风力机尾流效应显著影响风力机运行效率和疲劳载荷，是目前风电领域的研究热点之一。在实际大气中，风力机尾流演化和大气稳定度密切相关，但相关研究还不够系统，仍缺乏适用于不同大气稳定度的尾流模型。本课题采用大涡模拟获取了不同大气稳定度下风力机尾流的演化过程，揭示大气稳定度对尾流演化的影响规律，提出了较为普适的尾流数学模型。主要创新如下：（1）揭示了大气稳定度对风力机尾流演化的影响机理。研究发现，浮力效应主要通过改变来流湍流分量的比例和尺度影响风力机尾流的演化，而展向湍流输运在尾流恢复中起关键作用。在对流条件下，流动空间和时间尺度均较大，展向脉动增强，在尾流和外部流动的平均剪切作用下，产生了更多的雷诺应力，并促进了湍流展向输运的增加，加速了尾流的恢复。在稳定大气条件下，虽然展向脉动较大，但流动空间尺度和时间尺度均较小，尾流摆振程度较低，产生的雷诺应力较少，展向湍流输运减小，尾流恢复速度减小。（2）提出了适用于不同大气稳定条件的高精度尾流模型。基于风力机尾流速度损失的自相似特性，提出了二维尾流物理边界的界定方法，引入尾流线性膨胀假设，推导了满足动量守恒的二维尾流解析公式，解决了传统二维模型不满足局部质量守恒的理论问题，大幅提高了模型的预测精度。（3）将传统尾流模型和风电场边界层模型耦合，解决了传统尾流模型无法描述大气边界层能量垂向输运的理论问题，发展了大型风电场尾流效应的评估方法，拓展了模型的适用范围。（4）采用尾流模型，研究了基于尾流调控的优化运行控制方法。针对串列风电机组提出了适用于不同尾流膨胀系数、不同机组间距、不同运行推力系数偏航协同控制方法，提升发电效率17.5%；基于实际风电场开展整场协同控制研究，显著提升整场发电效率。依托该项目发表SCI论文16篇，其中中科院Top期刊论文11篇；出版学术专著1部；申请发明专利20项，授权5项；登记软件著作权1项；获得省部级科技进步一等奖1项。