在平滑流动条件下，升沉频率和振幅对浮动海上风力涡轮机尾流演变的影响

《Ocean Engineering》：Effects of heave frequency and amplitude on wake evolution of floating offshore wind turbine in smooth flow conditions

漂浮式海上风电尾流特性研究中，通过大涡模拟（LES）分析不同垂荡振幅（0.01-0.04D）和频率（0.2-1St）下尾流摆动规律，发现垂荡使尾流恢复速度提升29%，频率影响显著于振幅，St=0.4时下游最大摆动达0.68D。垂荡增强尾流分布不对称性及垂直直径各向异性（0.01→0.04D振幅下下游8D处直径增幅11.8%）。

　　研究团队由来自河海大学可再生能源学院的多位学者组成，包括李文风、赵振洲、董国丹、刘毅格、刘慧文、魏上上、Kashif Ali、刘燕和马元卓。他们共同探讨了浮式海上风电涡轮机（FOWT）在不同垂荡振幅和频率下尾流涡旋运动特性，采用大涡模拟（LES）方法对理想入流条件下FOWT尾流进行模拟，以分析垂荡运动对尾流发展的影响。研究结果表明，垂荡运动显著加速了尾流的恢复过程，其中频率的影响比振幅更为显著。当频率为0.4时，FOWT的尾流恢复速度比固定底座的涡轮机快29%。此外，频率在引发大尺度尾流涡旋运动方面具有关键作用，这种涡旋运动有效促进了尾流内的动量交换和流体吸入，对尾流恢复的增强作用也比涡尖涡旋断裂更为明显。在频率范围0.2至0.6之间，尾流涡旋运动较为明显，下游最大尾流中心位移可达0.68D。当频率超出此范围时，大尺度尾流涡旋运动无法被触发，导致尾流恢复速度减缓。垂荡运动显著增强了尾流分布的不对称性和尾流直径的各向异性，下游8D处的垂直尾流直径随着振幅从0.01D增加到0.04D而增长了11.8%。

浮式海上风电涡轮机因其在深海区域捕捉风能的优势，正成为风能利用的重要方向。相较于固定底座的涡轮机，FOWT在成本和风能利用效率方面更具优势。然而，FOWT受到风与波耦合作用的影响，其运动形式包括六个自由度（6-DOF），这使得尾流呈现出波动性，并增加了尾流演变的复杂性。尾流的发展受到不同运动形式的影响，这对构建浮式风电场带来了挑战。因此，深入理解FOWT尾流特性及其受6-DOF运动的影响，对于优化风电场布局、提高风能利用效率以及确保风电场安全至关重要。

在风能利用领域，浮式风电涡轮机正受到越来越多的关注。由于风能的清洁性和巨大储量，全球风能结构中的占比正在持续上升。近年来，海上风电的开发速度显著加快，预计到2030年全球海上风电涡轮机的装机容量将达到380GW，到2050年将达到2000GW。为了捕捉深海区域的风能，固定底座的涡轮机成本将显著增加，而FOWT则提供了更为经济且高效的解决方案。然而，FOWT的尾流受风与波的耦合作用影响，呈现出复杂的波动特性，这使得尾流的演变更加难以预测。

为了更好地研究FOWT的尾流特性，现有的研究方法主要包括风洞试验、数值模拟和现场测量。试验方法能够提供较为真实的风与波条件，但难以满足实验模型与实际全尺寸模型在弗劳德数和雷诺数上的相似性。现场测量虽然能够提供更具代表性的实际数据，但通常需要较高的初始成本。相比之下，使用雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）或大涡模拟（LES）能够获得更为详细的流场信息。相较于RANS，LES在风场中对湍流边界层流动状态的预测更为准确，因此本研究采用LES方法来捕捉近尾流和远尾流中的多尺度结构。

在FOWT尾流的发展过程中，由于湍流的随机振荡，尾流会偏离时间平均中心，这种现象被称为尾流涡旋运动。尾流涡旋运动通常由入流中的大尺度湍流涡旋引起，这些涡旋的尺寸远大于转子直径，导致尾流中出现剧烈的湍流波动。此外，FOWT的运动也会对尾流产生影响，运动引起的湍流强度能够有效促进尾流的恢复。已有研究表明，周期性的垂荡运动可以增强尾流中的湍流强度，从而加快尾流的恢复。同时，垂荡运动引起的尾流涡旋形状类似于曲轴，这种结构在尾流恢复过程中起到重要作用。

在浮式风电涡轮机的近尾流区域，由于机舱和叶片的影响，存在显著的流体特征。然而，近尾流区域的具体位置尚未明确。根据经典的尾流分类方法，位于转子后方2至4倍转子直径（2-4D）范围内的区域被认为是近尾流，而更远的区域则归为远尾流。在近尾流区域，尾流分布通常遵循高阶高斯分布，但现有的经典高斯模型在近尾流中的预测误差可能较大。远尾流区域则表现出不同的特性，如振幅和频率的变化。此外，尾流的稳定性也受到多种因素的影响，例如涡旋间距的变化、流体吸入效应以及涡旋破裂机制。

在无流体干扰的情况下，脱落的涡旋会保持均匀间距，直到下游发生破裂（Widnall, 1972）。然而，在浮式风电涡轮机中，多自由度运动引起的风速变化会导致涡旋演变的不稳定性，最终使相邻涡旋合并为涡旋环（Arabgolarcheh et al., 2023b; Umberto et al., 2015）。为了量化涡旋环的运动速度，Wang等人提出了一种经验公式，该公式基于尾流速度和下游位置的线性增长项。他们的研究表明，垂荡频率的增加会加快尾流的恢复过程。涡旋还会影响尾流内外的流体吸入效应，一方面导致尾流直径增大，另一方面促进尾流的恢复（Barthelmie et al., 2003）。

涡旋的破裂被认为是尾流恢复的重要机制之一。当涡旋间距减小到一定程度时，涡旋之间的相互感应不稳定性成为主要的不稳定模式，最终导致涡旋破裂（Eriksen and Krogstad, 2017）。涡旋间距的减小会加剧相互感应不稳定性，从而加快涡旋的破裂过程。涡旋的破裂被认为对尾流恢复具有积极作用，特别是在FOWT中，这种现象更加显著。值得注意的是，当前的研究主要集中在俯仰和纵荡运动上，因为这些运动对FOWT性能的影响更为明显。在纵荡运动下，尾流涡旋的相干距离会周期性变化，尾流形状会从平滑的管状结构转变为波浪状结构，而较大的运动振幅则有助于尾流的恢复。此外，尾流涡旋会合并为更强、更持久的涡旋结构，从而导致下游负载的周期性波动。

综上所述，现有研究主要集中在FOWT的空气动力学特性和近尾流区域，对尾流涡旋运动特性关注有限。此外，尾流涡旋运动在不同振幅和频率下的演变机制也鲜有涉及。在风与波条件一致的情况下，FOWT主要表现出三种自由度：纵荡、俯仰和垂荡。相较于纵荡和俯仰运动，垂荡运动更有可能引发显著的尾流涡旋运动。因此，本研究通过四个方面：涡旋不稳定性、尾流恢复、尾流中心位移和尾流直径各向异性，探讨了垂荡振幅和频率对FOWT尾流涡旋运动特性的影响。为了获得对运动对尾流演变影响的基本理解，研究在理想化条件下进行模拟，排除了入流湍流和风剪切的影响，这为未来研究在风剪切和湍流入流条件下的FOWT尾流特性提供了比较参考。研究采用作用线模型（ALM）对转子动力学进行建模，其创新之处在于以下几点：

1）深入探讨了垂荡振幅和频率对尾流涡旋运动的影响。
2）利用频谱分析和涡旋核心间距统计方法，分析了运动引起的涡旋破裂机制。
3）比较分析了不同运动下尾流直径的各向异性和尾流中心的位移。

本研究的结构安排如下：第二部分介绍了数值方法，第三部分基于振幅和频率分析了垂荡对尾流涡旋结构、时间平均和瞬时尾流特性的影响，最后第四部分展示了研究结论。通过这些分析，研究团队希望为浮式风电场的设计和优化提供理论支持，同时也为未来研究提供参考方向。