探讨风向变化对风力涡轮机空气动力性能及尾流演变的影响

《Renewable Energy》：Exploring the impact of wind veer on the aerodynamic performance and wake evolution of a wind turbine

　　马家臣|冯成东|全勇|姚波|郭振山
中国上海同济大学土木工程减灾国家重点实验室，200092

**摘要**
随着风力涡轮机尺寸的不断增大，风向变化的影响变得越来越显著，因此需要进行深入评估。基于IEA 15MW风力涡轮机的缩比模型，本研究通过大涡模拟来探讨在不同风向变化条件下的风力涡轮机空气动力学特性。考虑了偏航角和转子旋转方向的影响，系统分析了风向变化对涡轮机空气动力载荷、功率输出和尾流演变的影响机制。研究结果表明，风向变化改变了叶片平均空气动力载荷的空间分布，主要影响波动载荷中的1P和2P频率分量，其变化规律与转子旋转方向密切相关。随着风向变化的加剧，输出功率下降：在无偏航条件下，最大功率损失为5%；而在有偏航条件下，这一比例超过10%。另一方面，风向变化加速了尾流速度缺口的恢复过程，尾流演变表现出明显的各向异性特征：风向变化增强了横向尾流扩展，同时减弱了垂直扩展，导致尾流横截面呈顺时针倾斜的椭圆形。此外，风向变化还导致有偏航情况下的反旋转涡对（CVP）发生不对称倾斜，重新配置了涡旋结构，从而导致严重的尾流畸变甚至分裂。

**引言**
风能已成为实现碳峰值和碳中和目标的核心战略支柱。大规模发展风力发电已成为不可避免的趋势；然而，蓬勃发展的风电行业面临着诸多挑战。值得注意的是，由风电场内复杂大气流动与风力涡轮机单元相互作用引起的空气动力学问题对风力涡轮机的发电效率、运行稳定性和安全性产生了重大影响[1]。大气边界层（ABL）内的复杂气流是由地表不均匀加热和地球自转产生的科里奥利力共同作用的结果。边界层在地形、大气热效应和自由大气压力梯度的影响下演变，形成了多样的结构和湍流特性。风电场的实际ABL流动条件主要包括时空湍流、垂直风切变、热带气旋以及地形引起的各向异性流动。此外，工程实践中常被忽视的一个重要ABL流动现象是风向变化，即风速随高度的垂直变化。地球自转产生的科里奥利力是风向变化的主要驱动力，导致风速呈螺旋形分布。1905年，Ekman[2]提出了基于海洋流观测的Ekman螺旋模型。大量现场测量证实了在典型风况[3]、[4]和台风[5]条件下，大气边界层中确实存在风向变化。此外，地形变化和大气稳定性差异等局部因素也会导致风向变化[6]。Tse[7]根据风洞测试数据指出，香港复杂的地形会改变气流方向，形成扭曲的气流。地形引起的风向变化通常局限于ABL的下500米范围内[8]。作为一种特殊类型的风速分布，风向变化需要精确的模拟和再现其特性。在风洞测试方面，Flay[9]首次提出了两种诱导风向变化的方法：双风洞和扭曲叶片。Tse[7]通过在风洞中安装导流叶片来生成特定角度的风向变化场。He[10]使用偏转器在风洞中模拟了最大风向变化角度为15°和25°的两种风向变化场。在数值模拟方面，Lu和Porté-Agel[11]以及Lu和Li[12]通过将参数化的科里奥利力项纳入纳维-斯托克斯（NS）方程，在大涡模拟（LES）中模拟了具有风向变化的条件。Feng等人[13]使用窄带合成随机流发生器（NSRFG）模拟了具有两个速度入口边界的风向变化风场。Zhou等人[14]在LES数值模拟中采用了三个入口边界以消除风向变化的耗散。Tang[15]提出了一种使用周期性边界的方法来模拟风向变化风场，从而减小了计算域的大小。

随着风力涡轮机尺寸的增大（即转子直径和轮毂高度的增加[16]，风切变和风向变化的影响也随之增强。Heck和Howland[17]指出，现代实用型涡轮机运行的罗斯贝数较低，此时风速在转子盘面上的变化变得更为显著。风力涡轮机的发电量、空气动力载荷和尾流会受到不同高度风速和风向变化的显著影响。Vanderwende等人[18]分析了风力涡轮机机舱的风速测量数据和气象塔数据，发现风向变化会影响功率输出，并认为在转子范围内考虑这一效应可以提高风电场性能预测的准确性。Gao等人[19]通过现场测量数据集探讨了风向变化对涡轮机性能的影响，指出涡轮机旋转方向也会显著影响风向变化下的发电量。Tumenbayar和Ko[20]在简单和复杂地形的风电场进行了现场测量，研究了风向变化的高度依赖性规律，并对其对涡轮机输出的具体影响进行了统计分析。Wu等人[21]利用计算流体动力学（CFD）研究了DTU 10MW涡轮机在风向变化下的风载荷分布特性，发现风向变化会增加某些空气动力载荷并显著改变风诱导响应。Bodini等人[22]通过激光雷达风速测量观察到，强烈的风向变化会导致尾流中心线的垂直位移和尾流结构的垂直拉伸。Van Der Laan和S?rensen[23]使用雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）方法验证了风电场尾流偏转是由风向变化引起的，而非尾流中的局部科里奥利力变化。Bromm等人[24]利用LES研究了风向切变对单个涡轮机尾流发展的影响，发现在风向切变条件下假设轴对称尾流分布会存在显著偏差。Englberger和Lundquist[25]量化了“风向继承”效应，表明入口风速的变化显著决定了风力涡轮机尾流的垂直偏斜度和不对称形态。Nouri等人[26]进行了六次LES计算，比较了科里奥利力和叶片旋转对尾流偏转的影响。Chanprasert等人[27]结合LES和气动弹性分析研究了垂直风向切变对风电场尾流相互作用的影响，发现尾流旋转受到侧向风速的影响，不同的风向变化会产生不同的结果。Narasimhan等人[28]研究了风向变化与涡轮机偏航相互作用导致的尾流卷曲变形。Heck等人[17]系统量化了科里奥利力在不同大气条件下的尾流演变影响，强调了这些机制随着涡轮机尺寸增大而增强。

关于风向变化对风力涡轮机空气动力学的影响，现有研究主要集中在转子范围内的小幅度风向变化（通常小于转子盘面的变化）。然而，新一代超大型涡轮机在其巨大转子上面临更大的风向变化，因此需要系统研究大幅度风向变化下的空气动力性能。此外，在数值模拟中，风力涡轮机建模通常依赖于简化的基于执行器的方法，这些方法可能无法准确模拟同时受到风向变化和偏航影响的涡轮机。本研究使用缩比风力涡轮机模型进行大涡模拟，分析了风向变化风场中风力涡轮机的空气动力学和尾流特性。通过考虑不同的风向变化幅度、转子偏航角和转子旋转方向，进行了多次数值模拟，系统分析了它们对空气动力载荷、功率输出和尾流演变的影响和机制。研究目的是明确风向变化如何影响当前和未来风力涡轮机在多种运行条件下的空气动力学行为。

**本研究结构**
第2节介绍了数值模拟设置。第3节详细阐述了数据分析和数据有效性验证方法。第4节展示了空气动力性能和尾流演变的分析结果，最后第5节提供了结论性意见。

**数值模拟**
本节首先概述了本研究中使用的缩比风力涡轮机模型，然后详细描述了数值模拟的运行条件和参数设置。

**计算方法和可靠性验证**
本节介绍了计算数据的分析方法。处理了从数值模拟中获得的空气动力载荷和尾流数据，并从空气动力特性和尾流特性的角度详细讨论了LES结果的有效性。风力涡轮机的力和力矩是通过积分表面上的压力分布得到的，具体表达式如下：

**结果与讨论**
本节首先研究了风向变化风场对风力涡轮机空气动力载荷和功率输出的影响，随后分析了其对尾流演变的影响规律。

**结论**
本研究探讨了风向变化对超大型风力涡轮机空气动力性能和尾流演变的影响。利用LES方法，基于IEA 15MW风力涡轮机的缩比模型，分析了风向变化、偏航角和转子旋转方向的耦合机制。主要结论如下：
- 除了塔影效应外，风向变化风场中的入流速度和方向的垂直切变改变了叶片平均空气动力载荷的空间分布。

**作者贡献声明**
全勇：撰写、审稿与编辑、验证、项目管理。
姚波：监督。
马家臣：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件应用、方法论研究、概念化。
冯成东：监督、研究、资金筹集。
郭振山：监督、数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

**数据可用性**
数据可应要求提供。

**致谢**
本研究得到了河北省自然科学基金（E2025202051）和中国国家自然科学基金（52308497）的支持。