基于模态分解的风力机尾迹特征研究

水平轴风力机的尾迹对风电性能和下游风力机疲劳载荷有重要影响.本文采用致动线模型(Actuator line method, ALM)的大涡模拟方法(Large-eddy simulation, LES)研究了NREL-5MW风力机尾迹的时空演化特征.从获得的瞬时场可以看出叶尖涡向下游发展后变成涡环,涡环失稳产生大量涡丝,涡丝重连生成小尺度涡环,小尺度涡环进一步破碎成更小的湍流结构.从平均场可以看出来流经过风力机后,速度发生台阶式降低,速度亏损剖面形状为W形.随着尾迹向下游发展,尾迹速度逐渐恢复且湍流强度逐渐增大,直至风力机后5个转子直径处速度亏损剖面的形状变为U形,但湍流强度的峰值开始降低.通过本征正交分解方法(Proper orthogonal decomposition, POD)和动力学模态分解方法(Dynamic mode decomposition, DMD)分析发现,风力机尾迹演化过程中叶片旋转的相关模态、涡环模态都可以被很好地捕捉到.