间歇性游泳展现了节能特性：来自机器鱼的实验证据

《Ocean Engineering》：Intermittent swimming demonstrates energy-saving capabilities: experimental evidence from robotic fish

浮式海上风力涡轮机（FOWT）在摇动运动下尾流摆动特性及恢复机制研究。采用大涡模拟（LES）结合作用线模型（ALM），分析不同摇动幅度（0.01-0.04D）和频率（St=0.2-1.0）对尾流涡分解、恢复速度及空间分布的影响。研究表明摇动显著加速尾流恢复（St=0.4时恢复速度提升29%），频率对尾流摆动诱发机制起主导作用，St=0.2-0.6时下游最大中心位移达0.68D，并产生显著各向异性尾流直径变化（0.01D→0.04D时垂直直径增11.8%）。

　　这项研究围绕浮式海上风力涡轮机（FOWT）的尾流特性展开，特别关注了垂直方向运动（heave）的振幅和频率如何影响尾流的湍流结构、恢复速度以及整体流动模式。随着全球对可再生能源需求的增长，海上风能作为一种清洁且储量丰富的能源，其开发速度不断加快。根据现有预测，到2030年，全球海上风力涡轮机的安装容量预计将达到380 GW，而到2050年可能达到2000 GW。然而，传统的固定式海上风力涡轮机在深海区域的建设成本较高，相比之下，FOWT因其较低的成本和更高的风能利用效率，成为未来海上风电发展的重要方向。

FOWT在海风与波浪的共同作用下，会产生六自由度（6-DOF）的运动，包括平移运动（surge、sway、heave）和旋转运动（pitch、yaw、roll）。这些运动会引发尾流的波动，从而加剧尾流演变的复杂性。尾流的形成和发展对海上风电场的布局、发电效率以及风力涡轮机的安全性有着直接的影响。因此，深入研究FOWT尾流的特性及其受6-DOF运动的影响，对于优化风电场设计和提升发电效率具有重要意义。

在现有研究中，学者们主要通过风洞实验、数值模拟和现场测量等方法对FOWT的尾流进行分析。然而，由于实验方法难以满足弗劳德数和雷诺数的相似性要求，而现场测量则成本较高，因此数值模拟成为一种更为可行的研究手段。大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）在风力涡轮机尾流研究中表现出较高的准确性，尤其在预测湍流边界层流动状态方面优于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法。LES能够捕捉尾流中不同尺度的流动结构，从而为研究FOWT尾流特性提供了更细致的视角。

研究发现，FOWT的尾流在垂直方向运动（heave）的影响下表现出显著的恢复加速现象。当运动频率为0.4时，FOWT的尾流恢复速度比固定式涡轮机快了29%。这一结果表明，频率在尾流恢复过程中起着更为关键的作用，而振幅的影响相对较小。此外，研究还指出，当运动频率处于0.2至0.6之间时，尾流会发生大尺度的涡流摆动（wake meandering），其最大尾流中心偏移量可达0.68倍的叶片直径（D）。而在频率超过这一范围时，大尺度的涡流摆动现象消失，尾流恢复速度反而减缓。

尾流的涡流摆动是由入流中的大尺度湍流涡旋引起的，这些涡旋的尺度远大于叶片直径，导致尾流中出现极端的湍流波动。FOWT的运动不仅影响尾流的湍流强度，还可能通过改变涡旋的排列和相互作用，进一步影响尾流的演变过程。例如，当涡旋之间的间距减小到一定程度时，涡旋之间的相互诱导不稳定性（mutual induction instability）会显著增强，最终导致涡旋的断裂。这种断裂被认为对尾流的恢复有积极作用，因为它可以促进流体在尾流区域的混合，从而加速能量的再分配。

研究还指出，FOWT的尾流特性在不同运动模式下存在显著差异。例如，平移运动（surge）会导致尾流涡旋之间的相干距离发生周期性变化，使尾流形状从光滑的管状演变为波浪状。而俯仰运动（pitch）则主要影响尾流中上部区域的湍流强度，使其在远离机舱高度的位置发生向上偏移。值得注意的是，当前大多数研究集中在俯仰和纵移运动对尾流的影响，而对垂直方向运动的研究相对较少。这可能是因为垂直方向运动对风力涡轮机性能的影响不如其他运动模式明显，但事实上，垂直方向运动在尾流的湍流结构和恢复速度方面表现出独特的特性。

此外，研究还分析了FOWT尾流的不对称性和各向异性。在垂直方向运动的影响下，尾流的直径在下游8D位置时，随着振幅从0.01D增加到0.04D，垂直方向的尾流直径增长了11.8%。这表明，振幅的增加会显著增强尾流的不对称性，并影响尾流的各向异性分布。尾流的不对称性和各向异性不仅影响尾流的恢复速度，还可能对下游风力涡轮机的负载和发电效率产生深远影响。

在研究方法上，本文采用了大涡模拟（LES）技术，并结合了涡流线模型（Actuator Line Model, ALM）来模拟风力涡轮机的叶片运动。ALM通过将叶片简化为一系列代表体力的点，显著减少了数值模拟所需的网格数量，同时保持了对尾流流动的高精度描述。这种模型能够有效捕捉风力涡轮机叶片对流场的动态影响，从而为研究FOWT尾流特性提供了可靠的基础。

为了更好地理解FOWT的尾流特性，研究在理想化的入流条件下进行，即不考虑入流湍流和风剪切的影响。这种设定为后续研究在存在风剪切和湍流条件下的尾流特性提供了比较基准。研究结果表明，FOWT的尾流在不同振幅和频率条件下呈现出复杂的演变模式，其中频率对尾流恢复速度和涡流摆动的影响尤为显著。

本文的创新点主要体现在三个方面：首先，深入探讨了垂直方向运动的振幅和频率对尾流摆动的影响；其次，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断裂机制；最后，比较了不同运动模式下尾流的各向异性直径和中心偏移量。这些研究不仅有助于揭示FOWT尾流演变的物理机制，还为优化海上风电场的布局和运行策略提供了理论依据。

研究结果对实际工程应用具有重要指导意义。首先，FOWT的尾流恢复速度受运动频率的影响更为显著，因此在设计浮动风电场时，应充分考虑涡轮机的运动模式，以优化尾流的相互作用。其次，大尺度的涡流摆动能够有效促进尾流中的动量交换和流体混合，从而加快尾流的恢复速度。然而，当运动频率超出一定范围时，这种摆动现象消失，尾流恢复速度反而降低，这表明需要合理控制涡轮机的运动频率，以达到最佳的尾流恢复效果。此外，尾流的不对称性和各向异性在不同运动模式下表现出显著差异，这可能影响下游风力涡轮机的负载分布和发电效率，因此在风电场设计中需要充分考虑这些因素。

总之，本文通过大涡模拟技术，系统地研究了FOWT在不同垂直方向运动条件下尾流的演变特性。研究结果表明，运动频率在尾流恢复和涡流摆动的形成过程中起着主导作用，而振幅的影响相对较小。同时，垂直方向运动能够显著增强尾流的不对称性和各向异性，从而对尾流的流动模式产生深远影响。这些发现不仅拓展了对FOWT尾流特性的理解，还为未来海上风电场的优化设计和运行管理提供了重要的参考依据。