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漂浮式海上风力发电机在六自由度条件下的尾流与性能研究
作者及研究机构
本研究的作者包括Tian Zhou（周恬）、Hui Lan（兰惠）、Chang Xu（许昌）、Xingxing Han（韩星星）和Xilong Wu（吴希龙），均来自河海大学。周恬来自河海大学水利水电工程学院，其余作者来自河海大学可再生能源学院。研究于2025年1月8日发表在《Physics of Fluids》期刊上，DOI为10.1063⁄5.0246831。
学术背景
随着陆上和近海风能资源的逐渐饱和，深海风能成为能源行业的热点话题。根据全球风能理事会（GWEC）的预测，到2027年，全球风电装机容量将达到680GW，其中海上风电占比近20%。与固定式风力发电机相比，漂浮式海上风力发电机（FOWTs）不仅面临更复杂的海洋气象和水文环境，还会经历独特的非线性运动响应，这使得预测其尾流特性变得更加困难。因此，深入研究FOWTs在各种运动响应下的尾流演化规律具有重要意义。
本研究的科学背景是流体力学和风能工程，特别是风力发电机的气动性能和尾流特性。研究的主要目标是揭示FOWTs在六自由度（6-DOF）条件下的尾流涡旋和尾流亏损的演化规律，以减少叶片负载并提升下游风力发电机的输出功率。为实现这一目标，研究团队改进了传统的Actuator Line Model（ALM，执行线模型），引入了考虑平台运动的修正速度，从而实现了对NREL 5MW参考转子在6-DOF条件下的动态模拟。
研究流程
研究主要包括以下几个步骤：
1. 模型构建与数值方法
研究采用了大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）和改进的ALM相结合的方法。LES是一种介于直接数值模拟（DNS）和雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方法之间的湍流模拟技术，能够显式解析大尺度涡旋，同时对小尺度涡旋进行建模。改进的ALM通过引入平台运动引起的附加速度修正，使其适用于6-DOF运动条件。
2. 研究对象与模拟条件
研究对象为NREL 5MW参考风力发电机，其转子直径为126米，叶片长度为61.5米。研究设计了七种计算场景，分别对应固定、纵荡（surge）、横荡（sway）、垂荡（heave）、俯仰（pitch）、横摇（roll）和偏航（yaw）条件下的周期性正弦运动。
3. 数值设置与网格生成
所有数值模拟均在SOWFA（Simulator for Wind Farm Applications）软件中实现，计算域尺寸为18D×6D×6D（D为转子直径）。网格采用局部细化策略，总网格数约为275万。
4. 网格独立性验证与模型验证
通过设计三种不同的网格细化方案，验证了网格独立性。此外，通过与Tran和Kim的研究结果对比，验证了模型在纵荡和俯仰条件下的可靠性。
5. 气动性能与尾流特性分析
研究分析了不同运动条件下风力发电机的推力系数和功率系数的时间序列变化，并通过Q准则和涡量场截面可视化尾流涡旋结构。
6. 尾流自相似性评估
基于时间平均的尾流速度亏损剖面，评估了不同条件下尾流自相似性的起始位置。
主要结果
1. 气动性能
在纵荡、俯仰和横摇条件下，风力发电机的功率输出和推力负载呈现周期性变化。纵荡和俯仰条件下，平均推力系数分别增加了2%和3%，而平均功率系数分别下降了1%和4%。这表明叶片逐渐面临失速风险。其他自由度运动对平均推力和功率系数的影响均在1%以内。
2. 尾流涡旋演化
在纵荡和俯仰条件下，尾流涡旋呈现不连续的涡环结构，其中俯仰条件下的涡环存在倾斜变形。在其他四种条件下，尾流涡旋相互交织形成连续的长涡带。特别是在横荡和垂荡条件下，较大的平移位移导致叶片尖端的螺旋涡旋提前失去结构，过渡到湍流尾流阶段。
3. 尾流长度与自相似性
在无环境湍流的情况下，固定风力发电机的尾流长度约为22D。纵荡、横荡和垂荡条件分别将尾流长度缩短至固定条件下的0.7、0.6和0.6倍，而俯仰、横摇和偏航条件则分别将尾流长度增加至固定条件下的1.1、1.2和1.2倍。除偏航外，其他自由度运动均延迟了尾流自相似性的起始位置。
结论
本研究通过耦合LES和改进的ALM，建立了FOWTs气动研究的数值框架，揭示了6-DOF条件下尾流涡旋和尾流亏损的演化规律。研究结果表明，不同自由度运动对FOWTs的性能和尾流特性具有不同的影响，特别是纵荡和俯仰条件对风力发电机的运行性能影响最为显著。研究为开发工程尾流模型和漂浮式海上风电场的微观选址提供了重要指导。
研究亮点
1. 创新性方法：研究改进了传统的ALM，使其适用于6-DOF运动条件，并首次基于LES方法对FOWTs的瞬态尾流动力学进行了独立研究。
2. 重要发现：研究揭示了不同自由度运动对尾流涡旋结构和尾流长度的影响，特别是纵荡和俯仰条件下尾流涡旋的独特演化模式。
3. 应用价值：研究结果为漂浮式海上风电场的布局设计和尾流管理提供了科学依据，有助于减少下游风力发电机的负载波动和功率损失。
其他有价值的内容
研究还探讨了尾流自相似性起始位置的变化规律，为后续开发降阶尾流模型提供了数据支持。此外，研究团队提出了优化算法，以在有限的场地面积内平衡风力发电机间距与下游尾流效应，从而最大化总发电量。
这篇报告详细介绍了研究的背景、方法、结果和意义，适合向其他研究人员传达该研究的核心贡献和科学价值。