湍流非均匀性与大气稳定性对IEA 22 MW风力发电机气动弹性响应的多尺度影响机制研究

本文系统探讨了湍流非均匀性及大气稳定性对超大型风力发电机（IEA 22 MW）结构载荷的影响，通过建立基于Mann谱张量模型的非均匀湍流场生成方法，结合丹麦?sterild实测数据，揭示了传统均质湍流假设（如IEC Kaimal模型）在大型风机载荷评估中的局限性，强调了站点特异性湍流谱与相干性分析对风机设计标准（IEC 61400-1）修订的重要意义。

　　

Highlight

1. 1.

   开发了一种开源工具，用于生成非均匀湍流场以支持大型风力发电机的气动弹性评估。

2. 2.

   研究了大气稳定性和湍流非均匀性对转子平均风速波动的交互影响。

3. 3.

   证明了在大型风机载荷评估中考虑大气稳定性和湍流非均匀性的必要性。

Turbulence Spectral Model

如前述，IEC标准提供了两种用于气动弹性评估的湍流谱模型：Mann模型和Kaimal模型。

Mann谱速度张量模型（Mann spectral velocity tensor model）基于线性化Navier-Stokes方程构建，通过波数向量k=(k₁, k₂, k₃)和三个参数定义：能量级参数αε^2/3、湍流长度尺度L及各向异性参数Γ。其中αε^2/3控制速度分量的方差缩放，L表征湍流涡旋的平均尺寸，Γ反映流动方向上的各向异性程度。

Turbulence Spectra

本研究基于Pe?a报告的湍流测量数据分析。数据采集自丹麦?sterild国家测试场南部的250米高闪电塔。该站点地形平坦，包含农田、城市和森林区域。研究中利用布置于7米、37米、103米、175米和241米高度的五台声波风速仪记录湍流波动，并推导出七种大气稳定性类别下的Mann模型参数。这些稳定性类别涵盖极不稳定到极稳定状态，但本研究聚焦三种典型类别：不稳定、中性和稳定条件。

Aeroelastic Simulations and Results

本节分析中，均质与非均质湍流场均使用六种不同随机种子生成。两类湍流场的模拟时长设为1小时，离散为4096个时间步长。轮毂高度平均风速范围从4 m/s至24 m/s，以2 m/s为间隔递增。该模拟设置遵循IEC 61400-1标准中规定的设计载荷工况（Design Load Case, DLC）1.2。采用IEA 22 MW参考风机（RWT）仓库中提供的DTU风能基础控制器，并针对陆上条件进行适应性调整。

Conclusions and Outlook

我们评估了湍流非均匀性和大气稳定性对IEA 22 MW风机气动弹性载荷的影响。提出了一种生成非均匀湍流场的理论方法，其频谱和相干特性随高度及垂直间距变化。该方法用于匹配?sterild测试站点不同高度声波风速仪观测到的湍流特性。研究在三种典型大气稳定性条件下展开，通过对比均质与非均质湍流场下的载荷响应，发现非均质条件在多数平均风速下会导致塔筒载荷显著增加。大气稳定性对风机动态响应具有决定性影响，即使湍流强度水平一致，基于站点特异性参数与标准IEC Kaimal模型的载荷结果仍存在显著差异。未来工作需进一步探索复杂地形与极端事件下的湍流-结构耦合机制。