耦合纵摇-纵荡运动下5兆瓦浮式垂直轴风力机尾流特性的数值分析及其对风电场布局优化的启示

本文采用高精度计算流体动力学（CFD）模拟，首次系统研究了全尺寸5兆瓦浮式垂直轴风力机（VAWT）在耦合纵摇（pitch）-纵荡（surge）运动下的尾流特性。研究揭示了运动幅值和周期对尾流对称性、速度恢复及涡旋演化的协同影响机制，发现耦合运动可加速尾流恢复（下游7倍转子直径处恢复至来流速度的93%），并阐明了全尺寸与缩比（1:100）模型间因尺度效应和马格努斯（Magnus）效应导致的尾流模式差异，为复杂海洋环境下浮式VAWT尾流建模及风电场优化提供了理论依据。

　　

研究亮点

• •
  我们深入研究了5兆瓦浮式垂直轴风力机（VAWT）在典型耦合纵摇-纵荡运动下的尾流特性，揭示了此种典型工况下尾流的时空演化模式。
• •
  我们系统比较了不同纵摇和纵荡幅值与周期组合（模拟5兆瓦浮式VAWT所经历的不同风浪载荷）下的结果。该分析不仅揭示了功率系数（power coefficient）的变化，还揭示了不同情景下尾流特性（包括速度场和涡旋结构）的相应变化。
• •
  此外，我们特别评估了在耦合纵摇-纵荡运动下，全尺寸与缩比VAWT在尾流特性上的区别，从而增强了对尺度效应（scale effect）影响尾流行为的理解，为未来的实验研究提供了宝贵指导。

结论

本研究采用高精度计算流体动力学（CFD）方法，研究了在低实度（即0.1）和适中叶尖速比（TSR，即3.5）条件下，不同幅值和周期的耦合纵摇-纵荡运动对浮式H型转子VAWT尾流特性的影响，同时考虑了全尺寸与1:100缩比模型之间的性能差异。所得结论总结如下：

首先，耦合纵摇-纵荡运动能显著改变VAWT的尾流剖面。