单一水平轴风电机组尾迹的模拟方法与流动机理研究综述

为实现碳达峰、碳中和"3060"目标,风能将在我国能源体系发挥重要作用.风力机尾迹是影响风电性能和度电成本的关键因素,需在风力机布置和控制设计中充分考虑.本文首先介绍风力机尾迹的数值模拟方法,包括解析模型、低阶模型、大涡模拟和来流湍流生成方法.解析模型和低阶模型可快速计算风力机尾迹,但依赖于模型参数,且不能或不能准确预测尾迹湍流特性.结合风力机参数化模型的大涡模拟可准确预测尾迹蜿蜒等湍流特征,是流动机理研究的有力工具,可为发展快速预测模型提供数据和理论支撑.接着,本文介绍了叶尖涡、中心涡和尾迹蜿蜒并讨论其产生机理.对于湍流来流,叶尖涡主要存在于近尾迹.蜿蜒是远尾迹的主要特征,影响下游风力机的来流特征.尾迹蜿蜒的产生有两种机制:来流大尺度涡和剪切层失稳.数值和观测结果显示两种机制共同存在.机舱和中心涡对尾迹蜿蜒有重要影响.采用叶片和机舱的致动面模型可准确预测尾迹蜿蜒.研究显示不同风力机尾迹间的湍流特征存在相似性,为发展尾迹湍流的快速预测模型提供了理论依据.当前研究多关注平坦地形上的风力机尾迹,复杂地形和海洋环境下的大气湍流和风力机尾迹的机理复杂,现有工程模型无法准确预测,有待深入研究.