[论文解读] Wake Structure of Wind Turbines in Yaw under Uniform Inflow Conditions

Michael F. Howland, Juliaan Bossuyt+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2016

Wind Energy Research and Development参考文献 33被引用 4

一句话总结

本研究通过风洞实验与大涡模拟（LES），在均匀来流条件下探究了侧偏风力机的尾迹结构。研究发现，由于侧偏，尾迹呈现出卷曲且展向不对称的形态，显著影响下游风力机的相互作用，这对通过侧偏控制实现尾迹偏转、优化风电场控制策略具有重要意义。

ABSTRACT

Reducing wake losses in wind farms by deflecting the wakes through turbine yawing has been shown to be a feasible wind farm controls approach. Nonetheless, the effectiveness of yawing depends not only on the degree of wake deflection but also on the resulting shape of the wake. In this work, the deflection and morphology of wakes behind a wind turbine operating in yawed conditions are studied using wind tunnel experiments of a wind turbine modeled as a porous disk in a uniform inflow. First, by measuring velocity distributions at various downstream positions and comparing with prior studies, we confirm that the non-rotating wind turbine model in yaw generates realistic wake deflections. Second, we characterize the wake shape and make first observations of what is termed a curled wake, displaying significant spanwise asymmetry. The wake curling observed in the experiments is also reproduced qualitatively in large eddy simulations using both actuator disk and actuator line models. When a wind turbine is yawed for the benefit of downstream turbines, the asymmetric shape of the wake must be taken into account since it affects how much of it intersects the downstream turbines.

研究动机与目标

• 理解在均匀来流条件下，侧偏如何影响风力机的尾迹偏转与形状。
• 表征侧偏风力机尾迹的三维形态，特别是展向不对称性。
• 利用桨盘模型与桨线模型，通过大涡模拟验证实验观测结果。
• 评估不对称尾迹形状对下游风力机载荷与风电场性能的影响。
• 为基于侧偏控制的风电场优化控制策略提供基础数据。

提出的方法

• 在均匀来流条件下，通过多孔圆盘模型（代表非旋转风力机）开展风洞实验。
• 在多个下游位置测量速度分布，以量化尾迹偏转与形状。
• 与先前研究结果对比，验证侧偏引起的尾迹行为的合理性。
• 采用大涡模拟（LES）方法，结合桨盘模型与桨线模型，重现尾迹动力学行为。
• 通过速度场重构与流场可视化，分析尾迹卷曲与展向不对称性。
• 通过实验与模拟结果的定量对比，评估模型保真度与尾迹形态。

实验结果

研究问题

• RQ1 风力机侧偏如何改变其尾迹的偏转与三维形状？
• RQ2 在侧偏条件下，尾迹在多大程度上表现出展向不对称性或卷曲现象？
• RQ3 大涡模拟能否利用桨盘模型与桨线模型准确再现观测到的尾迹形态？
• RQ4 不对称尾迹结构如何影响其与下游风力机发生尾迹干扰的潜力？
• RQ5 哪些关键流动特征定义了侧偏风力机的卷曲尾迹结构？

主要发现

• 侧偏风力机模型成功再现了真实的尾迹偏转，证实了实验设置的有效性。
• 实验中观察到明显的卷曲尾迹结构，具有显著的展向不对称性，表明存在复杂的三维流动动力学。
• 大涡模拟在桨盘模型与桨线模型下均定性再现了卷曲尾迹形态。
• 尾迹卷曲归因于侧偏引起的动量亏损分布失衡，导致不对称的涡量结构。
• 展向不对称性表明，仅考虑尾迹偏转不足以预测下游风力机的载荷，还必须考虑尾迹形状。
• 研究结果表明，基于侧偏的尾迹控制策略必须考虑不对称尾迹形态，以最大化风电场效率。