1、风力机尾迹与风电机组可靠性风力机尾迹与风电机组可靠性杨晓雷中国科学院力学研究所，非线性力学国家重点实验室第十八届中国可再生能源学术大会风能分会，2023年4月1-3日，南京报告提纲报告提纲 研究背景：尾迹影响风电机组可靠性 研究进展：1.风力机湍流尾迹的大涡模拟方法2.风力机尾迹蜿蜒的生成演化机理3.风力机尾迹的工程模型 总结与展望2Hasager et al.,2017尾迹有什么特征？尾迹有什么特征？风速低、湍流强度高、流动结构复杂3力学学报，2021尾迹影响风电机组可靠性尾迹影响风电机组可靠性 发电功率下降、功率脉动、影响噪声产生与传播4功率脉动增加Dar and Bremen,2019影

2、响噪声传播Barlas,Zhu,Shen,et al.2017功率损失10-20%Barthelmie et al.,2019风轮部分处于尾迹中尾迹湍流结构：蜿蜒 疲劳载荷增加，造成叶片和塔筒的结构破坏如何降低尾迹的影响如何降低尾迹的影响 优化风电机组的设计和布置5 对风电机组进行协同控制-轴向诱导因子控制（尾迹强度控制）Bossanyi and Ruisi(2021):静态控制的收益小，在统计不确定度范围内Munters and Meyers(2018):动态控制增强动量混合，提升下游机组功率产出-偏航控制（尾迹位置控制）Howland et al.(2022):3.0%0.7%(6 ms-

3、1to 8 ms-1),1.2%0.4%(all wind speeds)Howland,Lele,Dabiri(2021):7-10%Cao,Ge,et al.,202292%(45%)94%(75%)Wu,Yang,Zhu,2021布置优化引入尾迹物理优化目标考虑尾迹湍流研究进展一：风力机湍流尾迹的大涡模拟方法研究进展一：风力机湍流尾迹的大涡模拟方法6 复杂几何边界复杂几何边界的浸没边界方法的浸没边界方法 气液界面气液界面的的Levelset方法方法 颗粒、动边界颗粒、动边界的流固耦合方法的流固耦合方法 亚格子尺度亚格子尺度的参数化模型的参数化模型水下航行器（Ocean Eng.2020）

4、水动能涡轮机(Renew.Energy 2017)Parshall Flume 水面高度云图(Measurement.2021)污染物输运(Build Environ.2019)血流动力学(Phys.Fluids 2021)风力机空气动力学的参数化模型风力机空气动力学的参数化模型 参数化风力机的几何形状，及对来流的作用力7DL翼型形状弦长、扭角半径几何形状升力、阻力表面压力、摩擦力推力（Thrust），旋转力空气动力学致动盘模型致动线模型+几何形状和作用力的不同组合，构成不同的参数化模型致动面模型+风力机空气动力学的致动面模型：方法风力机空气动力学的致动面模型：方法 叶片空气动力学考虑弦长方向

5、几何，忽略叶片厚度采用升阻力系数、当地来流计算分布力8 机舱空气动力学考虑机舱实际几何直接计算法向力、模化切向力Wind Energy 2018风力机空气动力学的致动面模型：验证风力机空气动力学的致动面模型：验证 近尾迹流向速度9叶尖速比=4.2叶尖速比=10：MEXICO风洞实验：致动面：致动线SLPIV结果致动面 复杂叶尖涡结构 尾迹湍流/2/2湍动能沿垂向分布的对比/：实验：致动面(网格 D/100)：致动面(网格 D/50)：致动面(无机舱，网格 D/50)Yang et al,J Fluid.Mech.,2016;Yang,Sotiropoulos,Wind Energy,2018漂

6、浮式风力机的风浪流固耦合模拟漂浮式风力机的风浪流固耦合模拟复杂地形风电场模拟与观测结果对比与观测结果对比P:各组风机平均电量产出;PG1:第一组风机电量产出黑线:观测结果;红线:模拟结果;柱状误差:电量产出脉动均方根13研究进展二：研究进展二：风力机尾迹蜿蜒的生成演化机理风力机尾迹蜿蜒的生成演化机理文献中的尾迹蜿蜒机制文献中的尾迹蜿蜒机制1.大尺度涡机制：将尾迹看作被动标量-大气边界层湍流中的大尺度涡对尾迹的对流输运导致了尾迹蜿蜒-被用于DTU的Dynamic Wake Meandering(DWM)模型(Larsen 2007)-对模型参数进行调试后与测量结果较好吻合(Conti 2021)

7、2.剪切层不稳定机制：将风力机尾迹看作钝体绕流尾迹-尾迹剪切层失稳导致了尾迹蜿蜒-不稳定性分析、风洞试验验证(Medici 2006)14中心涡中心涡-叶尖涡叶尖涡-剪切层与尾迹蜿蜒的关联机制剪切层与尾迹蜿蜒的关联机制15J.Fluid.Mech.2014有机舱无机舱J.Fluid.Mech.2019大尺度涡和剪切层失稳机制共同存在大尺度涡和剪切层失稳机制共同存在 来流大尺度涡和钝体绕流涡脱落的频率特征共同存在16Large-scale eddiesShear layer instability Large-scale eddiesInflowWake,5DShear layer instab

8、ility：TSR=7.8：TSR=6.8：TSR=8.8：TSR=9.3来流和尾迹中的特征频率Phys.Rev.Fluids,2019尾迹对浮式平台振动的选择性放大效应尾迹对浮式平台振动的选择性放大效应 漂浮式风力机0.2 St 0.6范围内的横向振动诱发尾迹蜿蜒17J.Fluid.Mech.,2022研究进展三：研究进展三：风力机尾迹的工程模型风力机尾迹的工程模型 尾迹速度亏损模型18Jensen Model其中Dynamic Wake Meandering Model假设：1.尾迹像被动标量一样被来流大尺度涡输运2.大尺度涡在向下游输运过程中不发生改变 尾迹湍流强度模型Crespo an

9、d Hernandez(1996):QuartonQuarton(1989):(1989):Frandsen and Frandsen and ThogersenThogersen(1999):1999):文献中的典型模型基于神经网络的瞬时尾迹中心预测模型基于神经网络的瞬时尾迹中心预测模型19Yang,Torque 2020结合模态分解和机器学习的尾迹流场预测模型结合模态分解和机器学习的尾迹流场预测模型 SPOD模态、系数演化对比20大涡模拟模型预测 模型预测和大涡模拟对比基于尾迹湍流演化相似性的雷诺应力经验公式基于尾迹湍流演化相似性的雷诺应力经验公式21尾迹湍流的流向演化具有相似性经验公式：Renew.Energy,2023经验公式用于不同算例总结总结 发展了模化风力机空气动力学的致动面方法，相关大涡模拟程序成功应用于不同风电场 研究了风力机尾迹蜿蜒的产生机理-中心涡-叶尖涡-剪切层与尾迹蜿蜒的关联机制-大尺度涡和剪切层失稳机制共同存在-尾迹对浮式平台振动的选择性放大效应 发展了风力机尾迹的工程模型-基于神经网络的瞬时尾迹中心预测模型-结合模态分解和机器学习的尾迹流场预测模型-基于尾迹湍流演化相似性的雷诺应力经验公式22感谢聆听,敬请批评指正联系方式联系方式邮箱：微信：yangxiaolei81