基于流体动力学和剪切应力分析的人工礁结构优化

《Ocean Engineering》：Structural optimization of artificial reef based on hydrodynamic and shear stress analyses

浮式海上风电垂荡运动对尾流涡结构及恢复特性的影响研究。基于大涡模拟方法，分析不同垂荡幅度（0.01-0.04D）和频率（St=0.2-1）下尾流涡破裂机制、中心位移及直径各向异性变化规律。研究发现：垂荡显著加速尾流恢复（St=0.4时恢复速度提升29%），频率较幅度对尾流动力交换影响更显著，垂荡幅度增大11.8%导致下游8D处垂直直径扩张。尾流涡结构演变与垂荡参数存在非线性关系，高频率（St>0.6）抑制大尺度尾流摆动。

　　在当前的研究中，浮式海上风力涡轮机（FOWT）的尾流特性受到了广泛关注。随着风能作为一种清洁、可再生的能源在全球能源结构中占据越来越重要的位置，FOWT因其较低的成本和更高的风能利用效率，正成为深海风能开发的重要方向。然而，FOWT的尾流特性相较于固定式涡轮机更为复杂，这主要归因于其在六自由度（6-DOF）运动下的影响。这些运动包括平移、俯仰、偏航、横摇和垂荡，它们对尾流的演化、分布以及稳定性产生了显著影响。因此，理解FOWT尾流特性对于优化风力发电场布局、提高风能利用效率以及确保风力涡轮机的安全运行至关重要。

本研究旨在探讨FOWT在不同垂荡振幅和频率下的尾流摆动特性。为了实现这一目标，采用了大涡模拟（LES）方法，模拟了理想流场条件下FOWT的尾流行为。研究选取了不同的垂荡振幅（A/D = 0.01, 0.02, 0.03, 0.04）和频率（St = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1），并利用作用线模型（ALM）对涡轮机叶片进行建模。研究结果显示，垂荡运动显著加快了尾流的恢复速度，且频率对尾流特性的影响比振幅更为突出。在St = 0.4的情况下，FOWT的尾流恢复速度比固定式涡轮机快了29%。此外，频率在引发大规模尾流摆动方面起着关键作用，这种摆动能够有效促进尾流中的动量交换和流体掺混，从而对尾流恢复产生更大的影响。

在St = 0.2至0.6的范围内，观察到了尾流摆动现象，其中下游最大尾流中心位移达到了0.68D。超过这一范围后，大规模的尾流摆动无法被触发，导致尾流恢复速度下降。垂荡运动还显著增强了尾流分布的不对称性以及尾流直径的各向异性。具体而言，当振幅从0.01D增加到0.04D时，下游8D处的垂直尾流直径增加了11.8%。这表明，随着垂荡振幅的增加，尾流的垂直扩展更加明显，从而改变了尾流的整体形态。

研究还指出，FOWT的尾流摆动不仅受到流场条件的影响，还与涡轮机的运动特性密切相关。例如，当海况、流入风速和涡轮机旋转频率相互匹配时，会形成大规模的尾流摆动，且这种摆动会随着下游距离的增加而更加显著。现有的研究表明，FOWT的尾流摆动主要由横摇和垂荡运动引起，而俯仰运动则对尾流的结构和动力学特性有较大影响。此外，尾流摆动的形成还与涡旋的相互作用密切相关，当涡旋间距减小到一定程度时，涡旋的不稳定性会显著增强，最终导致涡旋对的形成并发生破裂。

为了深入理解垂荡运动对尾流摆动的影响，本研究从四个关键方面进行了分析：尾流涡旋的不稳定性、尾流恢复、尾流中心位移以及尾流直径的各向异性。通过LES方法，研究人员能够捕捉到近尾流和远尾流中的多尺度结构，从而更全面地分析尾流的演化过程。研究结果显示，垂荡运动的频率和振幅对尾流摆动的影响具有显著差异。在低频和中频范围内，尾流摆动较为明显，而高频则会抑制这种摆动，导致尾流的恢复速度下降。

此外，研究还发现，垂荡运动对尾流的恢复具有积极影响。通过增加尾流中的湍流强度，垂荡运动能够促进尾流的恢复过程。这一现象在许多实验研究中得到了验证，例如，通过粒子图像测速（PIV）技术，研究人员发现周期性的俯仰运动能够增强尾流中上部的湍流强度，从而导致尾流中心线随着下游距离的增加而向上移动。同时，这种运动还会增强流场中的法向应力，减少沿流方向的湍流动能通量。

在近尾流区域，由于涡轮机机舱和叶片的影响，存在显著的流体特征。然而，近尾流区域的具体位置并未完全明确。根据现有的经典分类，通常认为在2至4倍涡轮机直径（2-4D）范围内的区域为近尾流，而更远的区域则为远尾流。在近尾流区域，尾流的分布主要遵循高阶高斯分布。然而，这种经典高斯模型在近尾流区域的应用可能会引入较大的预测误差。相比之下，远尾流区域的尾流表现出不同的特性，如振幅和频率的变化，这些变化对尾流的演化和恢复具有重要影响。

研究还指出，FOWT的尾流摆动不仅受到流场条件的影响，还与涡旋的相互作用密切相关。当涡旋间距减小到一定程度时，涡旋的不稳定性会显著增强，最终导致涡旋对的形成并发生破裂。这种破裂被视为促进尾流恢复的一种有利因素。在FOWT中，由于诱导速度的存在，这种现象变得更加显著。此外，现有研究主要集中在俯仰和纵移运动对尾流的影响上，因为这些运动对FOWT的性能影响更为明显。然而，垂荡运动在尾流摆动的形成中同样扮演了重要角色，尤其是在不同频率和振幅的条件下。

本研究的创新点在于，系统地探讨了垂荡运动的频率和振幅对尾流摆动的影响，并分析了由运动引起的涡旋破裂机制。通过谱分析和涡旋核心间距统计方法，研究人员能够更深入地理解涡旋破裂的过程。此外，还比较了不同运动条件下尾流的各向异性直径和中心位移的变化，从而为未来研究提供理论支持和实验依据。

综上所述，FOWT的尾流特性受到多种因素的影响，包括流场条件、涡轮机的运动类型以及频率和振幅的变化。通过LES方法和ALM模型，研究人员能够更准确地模拟和分析这些特性。研究结果表明，垂荡运动在促进尾流恢复和形成大规模尾流摆动方面具有重要作用，而频率的影响则更为显著。这些发现对于优化FOWT的设计和布局，提高风能利用效率以及确保风力发电场的安全运行具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨不同运动条件下尾流特性的变化，以及这些变化对风力发电场整体性能的影响。