对偏航控制下的尾流效应对下游风力涡轮机疲劳载荷分布影响的数值研究

《Ocean Engineering》：Numerical investigation of yaw-controlled wake effects on fatigue load distribution in downstream wind turbines

本研究通过高精度计算流体动力学模拟与多体动力学耦合分析，系统探究了主动偏航控制对下游风力涡轮机湍流场分布及结构疲劳载荷的影响机制。结果表明，偏航角在30°-40°范围内可优化湍流恢复效率，降低叶根等效疲劳载荷，但塔基倾覆力矩呈现先升后降的非线性响应，且湍流强度与疲劳载荷呈显著正相关。

　　在风力发电领域，随着风力涡轮机规模的不断扩大，其运行对周围环境的影响也愈加显著。其中，尾流效应成为制约风场整体发电效率的关键因素之一。尾流效应指的是上游风力涡轮机在运行过程中，会扰动气流，形成速度降低、湍流强度增加的尾流区域，从而对下游涡轮机的发电性能和结构疲劳产生不利影响。近年来，研究人员提出了多种策略来应对这一问题，其中，主动偏航控制因其在改善尾流分布和提升整体能量输出方面的潜力而备受关注。然而，尽管主动偏航控制在提升风场发电效率方面表现优异，其对下游涡轮机结构疲劳的影响机制仍存在诸多未解之谜，亟需深入研究。

主动偏航控制是指通过调整风力涡轮机的旋转方向，使其叶片与风向保持最佳夹角，从而优化气流分布并减少尾流对下游涡轮机的干扰。在实际运行中，涡轮机的偏航角度通常受到多种因素的影响，包括风向变化、涡轮机间距、以及尾流的动态演变。当前的研究表明，适当的偏航控制可以显著改善尾流的结构特征，例如减少尾流的扩张程度、增强尾流的恢复速度，从而降低湍流强度的波动，使尾流区域内的气流更加均匀。然而，这些改进是否能够有效缓解下游涡轮机的结构疲劳，仍然缺乏系统性的分析和验证。

本文旨在系统研究主动偏航控制对尾流行为及结构疲劳特性的影响，结合高保真度的计算流体力学（CFD）模拟与多体动力学耦合分析，全面探讨偏航控制在风场中的作用机制。研究采用高分辨率的风流入口时间序列数据，结合经过验证的物理模型，对尾流的动态演化过程进行详细刻画，并分析其对结构负载的影响。同时，通过雨流计数法对关键部件（如叶片根部和塔基）的等效疲劳载荷进行量化评估。研究结果表明，偏航控制对尾流中心线产生线性偏移效应，有效抑制了尾流的扩张，提升了尾流的恢复能力，从而在尾流区域内实现了湍流强度的更均匀分布。这种均匀化效应在一定程度上有助于降低下游涡轮机的结构疲劳，尤其是在低湍流强度条件下，对叶片等旋转部件的疲劳载荷具有显著的缓解作用。

然而，研究也揭示了偏航控制对结构疲劳的影响并非线性。在偏航角度增加至30°时，叶片根部的等效疲劳载荷呈现下降趋势，但当偏航角度进一步增加至40°时，该载荷却出现了非预期的上升。这表明，偏航控制在提升发电效率的同时，也可能会引发新的疲劳问题，尤其是在特定角度范围内，涡轮机的受力状态可能发生变化，导致结构疲劳的增加。此外，塔基的倾覆力矩则表现出先增后减的非线性响应，进一步表明偏航控制对不同部件的疲劳影响具有差异性。因此，在实际应用中，需要对偏航角度的选取进行更为精细的控制，以在提升发电效率与降低结构疲劳之间取得平衡。

研究还指出，湍流强度是影响风力涡轮机结构疲劳的关键因素之一。在所有测试条件下，较高的湍流强度均会导致等效疲劳载荷的显著增加。这一发现与先前的研究结果相吻合，即湍流强度与结构疲劳之间存在强相关性。在低湍流强度环境下，旋转部件如叶片的疲劳载荷可能有所降低，而非旋转部件如塔基则可能因气流扰动而承受更大的疲劳应力。随着风力涡轮机尺寸的持续扩大，以及偏航控制带来的复杂气动相互作用，仅依靠湍流强度来预测结构疲劳的可靠性逐渐下降。因此，有必要采用时域模拟结合雨流计数法，对偏航控制对下游涡轮机疲劳载荷的影响进行更为细致的评估。

为了提高模拟的准确性，本文采用物理建模方法对风力涡轮机进行建模，并通过高分辨率的网格配置和合理的边界条件设置，确保模拟结果能够真实反映实际运行情况。同时，研究团队还对涡轮机的几何结构进行了简化，以减少计算成本，同时保持较高的建模精度。例如，采用旋转扇形域中的单叶片模型代替完整的三叶片涡轮机，既降低了计算复杂度，又保留了关键的气动特性。这种方法在保证模拟效率的同时，能够有效捕捉尾流演化过程中的复杂流体动力学现象，为后续的疲劳分析提供了可靠的数据支持。

此外，本文还对风流入口时间序列数据的生成方法进行了详细描述。风流入口时间序列数据是模拟风场运行状态的重要基础，其准确性直接影响尾流行为的预测效果。研究中采用的湍流风场生成方法能够有效模拟真实大气边界层的湍流特性，从而为尾流演化和结构负载计算提供更贴近实际的输入条件。通过对不同偏航角度和涡轮机间距的组合进行模拟，研究团队能够全面分析偏航控制对尾流结构和下游涡轮机负载的影响，揭示偏航控制与涡轮机布局之间的协同作用机制。

在分析结果的基础上，本文进一步探讨了偏航控制在风场优化中的潜在应用。研究发现，偏航角度在30°至40°之间对涡轮机的运行性能和结构疲劳具有最佳平衡效果。这一角度范围内的偏航控制不仅能够有效改善尾流结构，还能在一定程度上降低下游涡轮机的疲劳载荷。然而，这一结论仍需在更多实际风场环境中进行验证，以确保其普遍适用性。此外，研究还表明，涡轮机间距对尾流的演化和疲劳载荷的分布具有重要影响，合理的布局设计可以进一步优化偏航控制的效果。

本文的研究成果对于风场运行优化和结构设计具有重要的指导意义。首先，主动偏航控制作为一项有效的尾流管理策略，其在提升风场整体发电效率方面的潜力得到了充分验证。其次，研究揭示了偏航控制对不同部件疲劳载荷的非线性影响，为风力涡轮机的结构设计和维护提供了新的视角。最后，研究强调了湍流强度在预测结构疲劳中的核心作用，并提出了结合时域模拟和雨流计数法的分析方法，以更全面地评估偏航控制对风场运行的影响。

本文的研究方法和结论为未来的风场优化提供了理论支持和技术路径。通过系统分析偏航控制对尾流行为和结构疲劳的影响，研究团队不仅揭示了尾流管理的复杂性，还为实现风场运行效率与结构安全性的双重提升提供了可行方案。此外，研究中提出的物理建模和数值模拟相结合的方法，也为后续的风场研究提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索不同偏航策略在复杂风场环境中的适用性，以及如何通过智能控制技术实现更精细化的尾流管理。同时，随着风力涡轮机技术的不断发展，研究团队还需关注新型材料和结构设计对疲劳载荷的影响，以确保风力发电系统的长期稳定运行。

总之，本文通过高保真度的CFD模拟和多体动力学耦合分析，系统研究了主动偏航控制对风场尾流行为和结构疲劳特性的影响。研究结果不仅揭示了偏航控制在改善尾流分布和提升发电效率方面的积极作用，也指出了其在特定角度范围内可能引发的结构疲劳问题。通过引入雨流计数法对关键部件的等效疲劳载荷进行量化分析，研究团队为风场优化和结构设计提供了重要的理论依据和技术支持。未来的研究应在更广泛的风场环境中进行验证，并结合智能控制技术，探索更加高效和安全的尾流管理策略，以推动风力发电技术的持续发展和应用。