[论文解读] Effects of wind veer on a yawed wind turbine wake in atmospheric boundary layer flow

Ghanesh Narasimhan, Dennice F. Gayme+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Wind Energy Research and Development被引用 5

一句话总结

本研究采用大涡模拟（LES）研究科里奥利力在大气边界层中引起的风切变对偏航风力涡轮机尾流非对称演化的影响。研究提出了一种修正的解析尾流模型，引入了由风切变引起的展向位移项，显著提高了在真实风切变流中对速度亏损和尾流形变的预测精度，优于忽略风切变影响的模型。

ABSTRACT

Large Eddy Simulations (LES) are used to study the effects of veer (the height-dependent lateral deflection of wind velocity due to Coriolis acceleration) on the evolution of wind turbine wakes. Specifically, this work focuses on turbines that are yawed with respect to the mean incoming wind velocity, which produces laterally deflected wakes that have a curled (crescent-shaped) structure. These effects can be attributed to the introduction of streamwise mean vorticity and the formation of a Counter-rotating Vortex Pair (CVP) on the top and bottom of the wake. In a Truly Neutral Boundary Layer (TNBL) in which wind veer effects are absent, these effects can be captured well with existing analytical wake models (Bastankhah et al. J. Fluid Mech. (2022), 933, A2). However, in the more realistic case of atmospheric boundary layers subjected to Coriolis acceleration, existing models need to be re-examined and generalized to include the effects of wind veer. To this end, the flow in a Conventionally Neutral Atmospheric Boundary Layer (CNBL) interacting with a yawed wind turbine is investigated in this study. Results indicate that in the presence of veer the CVP's top and bottom vortices exhibit considerable asymmetry. However, upon removing the veer component of vorticity, the resulting distribution is much more symmetric and agrees well with that observed in a TNBL. These results are used to develop a simple correction to predict the mean velocity distribution in the wake of a yawing turbine in a CNBL using analytical models. The correction includes the veer-induced sideways wake deformation, as proposed by Abkar et al. (Energies (2018), 11(7), 1838). The resulting model predictions are compared to mean velocity distributions from the LES and good agreement is obtained.

研究动机与目标

• 理解在传统中性大气边界层（CNBL）中风切变如何改变偏航风力涡轮机尾流的结构与演化。
• 识别流向涡度和反向旋转涡对（CVP）在风切变条件下引发非对称尾流形变中的作用。
• 将原本为真正中性边界层（TNBL）设计的现有解析尾流模型扩展，以包含风切变效应，从而提高在真实大气边界层（ABL）流中预测的准确性。
• 提出并验证基于风切变引起的横向速度分布的风切变修正项，实现对展向尾流位移的精确建模。

提出的方法

• 在真正中性边界层（TNBL）和具有风切变的常规中性边界层（CNBL）中，对偏航风力涡轮机进行大涡模拟（LES）。
• 利用LES数据分析平均流向涡度和速度亏损的演化，特别关注反向旋转涡对（CVP）上下涡旋的不对称性。
• 采用风切变速度分布的线性近似 $ V(z) = -S(z - z_h) $ 对风切变引起的展向位移进行建模，其中 $ S $ 为由LES得出的剪切率。
• 基于Abkar等（2018）和Bastankhah等（2022）的涡面基解析尾流模型，引入风切变修正项，以实现对卷曲尾流形状和速度亏损的预测。
• 通过对比不同下游位置处预测的平均速度分布与LES结果，验证改进模型的准确性。
• 利用叠加原理，将涡轮机偏航引起的涡度与科里奥利力引起的风切变涡度视为模型中的可加分量。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气边界层中的风切变在多大程度上影响偏航风力涡轮机尾流中流向涡度的对称性与演化？
• RQ2 风切变在多大程度上扭曲反向旋转涡对（CVP）结构，导致非对称尾流偏转与形变？
• RQ3 能否通过增加风切变引起的展向位移项，将现有偏航风力涡轮机的解析尾流模型推广以包含风切变效应？
• RQ4 与LES数据相比，改进的解析模型在CNBL风切变条件下对平均速度亏损和尾流形状的预测精度如何？
• RQ5 风切变引起的涡度与涡轮机偏航引起的涡度在整体尾流动力学与偏转中各自贡献如何？

主要发现

• 在CNBL中，风切变导致反向旋转涡对（CVP）出现显著不对称，底部涡旋因近地表不同速度的平流效应，其横向位移大于顶部涡旋。
• 风切变引起的流向涡度与涡轮机偏航产生的涡度叠加，导致底部涡旋增强、顶部涡旋减弱。
• 当去除风切变后，CVP结构变为对称，且与TNBL情况高度一致，证实风切变是造成非对称性的主要来源。
• 引入风切变位移项 $ V(z) = -S(z - z_h) $ 的改进解析尾流模型，在平均速度亏损和尾流形状方面与LES数据高度一致。
• 该模型成功预测了在TNBL和CNBL条件下尾流的卷曲新月形结构，且相比忽略风切变的标准模型具有更高的预测精度。
• 风切变修正项可准确预测偏航角达 $ 30^ ext{°} $ 时的尾流偏转与速度分布，表明其在风力发电场控制策略中具有广泛适用性。