在风浪水池中对短重力波进行的实验和数值研究

《Ocean Engineering》：Experimental and numerical study on short gravity waves in wind wave tank

浮式风电装置（FOWT）在波动幅度（A/D=0.01-0.04）和频率（St=0.2-1）不同时的尾流摆动特性及恢复机制研究，采用大涡模拟（LES）和actuator line模型（ALM），发现波动显著加速尾流恢复（St=0.4时提升29%），频率影响强于幅度，St=0.2-0.6时出现尾流摆动现象（下游最大中心位移0.68D），摆动被抑制后恢复变慢，波动还导致尾流分布不对称和直径各向异性增强（幅度0.01D增至0.04D时垂直直径增加11.8%）。

　　随着全球对清洁能源需求的不断增长，风能作为其中的重要组成部分，其开发与利用正变得越来越关键。特别是在海洋环境中，海上风电的潜力巨大，但其技术挑战同样显著。传统的固定底座风力发电机虽然在陆地和近海区域广泛应用，但在深海区域的应用受到限制，因为其成本高且对地质条件依赖性强。相比之下，浮式海上风力发电机（Floating Offshore Wind Turbine, FOWT）因其更灵活的部署能力、较低的建设成本以及更高的能量捕获效率，成为深海风电开发的首选方案。然而，FOWT的运动特性对涡流结构和尾流演变具有显著影响，使得其尾流的复杂性远超固定式风力发电机。因此，深入研究FOWT的尾流特性及其在不同运动幅度和频率下的演变机制，对于优化风力发电场布局、提高发电效率以及确保风力发电机的安全运行具有重要意义。

FOWT的尾流演变受到多种因素的影响，包括风速、风向、波浪条件以及风力发电机自身的运动。其中，风力发电机的六自由度（6-DOF）运动，如摆动（sway）、上下运动（heave）和推进（surge），对尾流的不稳定性有重要影响。这些运动不仅改变了尾流的形态，还影响了尾流的恢复速度。研究显示，FOWT的尾流恢复速度比固定式风力发电机快约29%（当斯特劳哈尔数St=0.4时），这表明FOWT的运动特性在促进尾流恢复方面具有显著优势。然而，这种恢复过程并非完全由运动幅度决定，而是与运动频率密切相关。在特定的频率范围内，尾流的不稳定性会增强，从而引发大规模的尾流摆动（meandering），这种摆动对尾流的恢复起到了关键作用。

尾流摆动现象是风力发电机尾流中常见的不稳定性特征，其形成主要归因于大尺度湍流涡旋的作用。这些涡旋的尺度远大于风力发电机的转子直径，导致尾流中出现剧烈的湍流波动。在FOWT中，运动诱导的湍流强度进一步加剧了尾流的不稳定性，使得尾流摆动更为显著。研究表明，当斯特劳哈尔数处于0.2至0.6的范围内时，尾流摆动现象最为明显，此时下游最大尾流中心位移可达0.68倍的转子直径（D）。而在这一范围之外，由于缺乏足够的湍流激励，尾流摆动现象会减弱，尾流的恢复速度也会相应减缓。因此，理解尾流摆动的触发条件和演变规律，对于优化FOWT的运行策略和提高风力发电场的整体效率至关重要。

在FOWT的近尾流区域，由于风力发电机的机舱和叶片的影响，流动特征尤为复杂。这一区域通常被认为是距离转子2到4倍直径（2-4D）的范围，而更远的区域则被归类为远尾流。在近尾流区域，流动主要受到叶片的剪切效应和机舱的干扰作用影响，其分布通常遵循高阶高斯分布。然而，当应用传统的高斯模型时，可能会引入较大的预测误差。因此，研究近尾流区域的流动特性，对于准确预测FOWT的尾流行为具有重要意义。此外，远尾流区域的特性也受到多种因素的影响，如尾流的振幅和频率。这些因素的变化不仅影响尾流的形态，还对下游风力发电机的功率输出和负载产生重要影响。

在研究FOWT尾流特性时，现有文献主要集中在尾流的湍流结构、恢复速度以及尾流中心位移等方面。然而，对于不同运动幅度和频率下尾流摆动特性的演变过程，研究仍较为有限。特别是在实际风浪条件下，FOWT的运动与风速、风向之间的协同作用更为复杂，因此需要进一步探讨这些因素对尾流摆动的影响。目前，许多研究已经指出，摆动（sway）和上下运动（heave）是导致尾流摆动的主要运动形式，而推进（surge）和俯仰（pitch）运动则对尾流的稳定性和恢复速度产生重要影响。例如，研究表明，周期性的俯仰运动能够增强风力发电机尾流中的湍流强度，从而加速尾流的恢复过程。同时，摆动运动对尾流摆动的影响也与频率密切相关，低频和中频的摆动运动更容易引发大规模的尾流摆动，而高频的摆动运动则可能抑制尾流摆动的发生。

为了更全面地理解FOWT尾流的演变机制，本研究采用大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）方法，模拟了不同运动幅度（A/D=0.01, 0.02, 0.03, 0.04）和频率（St=0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1）下的FOWT尾流特性。研究结果表明，运动幅度和频率对尾流摆动的形成和演变具有不同的影响。其中，频率的影响更为显著，尤其是在低频和中频范围内，尾流摆动现象更为明显。而在高频范围内，尾流摆动则会受到抑制。此外，研究还发现，尾流摆动不仅能够促进尾流的恢复，还能够增强尾流的动量交换和流动掺混（flow entrainment），从而进一步提高尾流的恢复效率。相比之下，叶片涡旋的断裂（tip vortex breakdown）虽然对尾流的恢复有一定影响，但其作用不如频率对尾流摆动的促进作用明显。

在FOWT的尾流中，涡旋的演变过程受到多种因素的共同作用。其中，涡旋之间的间距是影响涡旋不稳定性的重要参数。当涡旋间距减小到一定程度时，涡旋之间的相互作用会增强，导致涡旋的不稳定性显著增加，最终引发涡旋的断裂。这种断裂过程对于尾流的恢复具有积极作用，因为它能够促进流动的掺混，从而加速尾流的恢复速度。然而，在FOWT的运动条件下，涡旋的间距会受到运动幅度和频率的影响，进而改变涡旋的不稳定性。因此，研究不同运动条件下涡旋间距的变化规律，对于理解尾流的演变机制具有重要意义。

在实际应用中，FOWT的运动特性不仅影响其自身的尾流行为，还对整个风力发电场的运行效率产生重要影响。例如，当上游风力发电机的尾流摆动周期与下游风力发电机的运行频率相匹配时，下游风力发电机可能会周期性地进入或离开尾流区域，从而导致其功率输出和负载的波动。这种波动不仅会影响风力发电场的整体发电效率，还可能对风力发电机的结构安全构成威胁。因此，研究FOWT的运动特性及其对尾流的影响，对于优化风力发电场的布局和运行策略具有重要意义。

此外，FOWT的运动特性还可能对尾流的各向异性（anisotropy）产生影响。研究发现，随着运动幅度的增加，尾流的垂直直径在下游8D处增加了11.8%。这一结果表明，运动幅度对尾流的各向异性具有显著影响，尤其是在垂直方向上。而运动频率对尾流各向异性的影响则相对较小。因此，在设计FOWT时，需要综合考虑运动幅度和频率对尾流形态和恢复速度的影响，以实现最佳的风能捕获效果。

为了更深入地研究FOWT的尾流特性，本研究采用了一种先进的数值模拟方法——大涡模拟（LES）。这种方法能够捕捉到尾流中不同尺度的流动结构，包括近尾流和远尾流区域的复杂流动特征。通过LES方法，研究人员可以更准确地模拟尾流的演变过程，包括涡旋的形成、发展和断裂，以及尾流摆动的触发和传播机制。此外，研究还采用了涡旋核心间距统计方法，以分析运动对涡旋断裂的影响。这些方法的结合，使得研究人员能够更全面地理解FOWT尾流的演变机制，并为未来的风力发电场设计和运行提供科学依据。

在研究过程中，研究人员还发现，FOWT的运动不仅影响其自身的尾流特性，还可能对相邻风力发电机的尾流产生干扰。这种干扰效应在风力发电场中尤为显著，因为上游风力发电机的尾流会直接影响下游风力发电机的运行效率和负载水平。因此，研究FOWT的运动特性及其对尾流的影响，不仅有助于优化单个风力发电机的运行性能，还对整个风力发电场的布局和管理具有重要意义。

综上所述，FOWT的运动特性对尾流的演变具有复杂而深远的影响。通过研究不同运动幅度和频率下的尾流摆动、恢复速度、涡旋结构以及尾流的各向异性，可以更全面地理解FOWT尾流的动态行为。这不仅有助于提高风力发电机的运行效率，还能够为风力发电场的设计和优化提供重要的理论支持和技术指导。未来的研究可以进一步探讨不同风浪条件下的FOWT尾流特性，以及运动与风速、风向之间的协同作用，以实现更高效、更安全的海上风电开发。