[论文解读] Enhanced recovery and non-linear dynamics in the wake of a model floating offshore wind turbine submitted to side-to-side and fore-aft motion

Thomas Messmer, Michael Hölling+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2023

Fluid Dynamics and Vibration Analysis被引用 5

一句话总结

本实验风洞研究探讨了浮动式海上风力涡轮机模型的谐和侧向（横摆）和前后（纵摇）运动对尾流恢复及非线性动力学的影响。结果表明，这两种运动均能加速尾流恢复——尤其在斯特劳哈尔数 St ∈ [0.3, 0.6]（横摆）和 St ∈ [0.3, 0.9]（纵摇）范围内——这是由于非线性时空动力学（包括同步摆动与准周期性脉动）增强了动量传输，从而提升了下游涡轮机的能量回收效率。

ABSTRACT

An experimental study in a wind tunnel is presented to explore the wake of a floating wind turbine subjected to harmonic side-to-side and fore-aft motions under laminar inflow conditions. The wake recovery is analysed as a function of the frequency of motion, measured by the Strouhal number, St. Our findings indicate that both directions of motion accelerate the transition to the far-wake compared to the fixed turbine. The experimental outcomes confirm the CFD results of Li et al. (2022) showing that sideways motions lead to faster wake recovery, especially for St in [0.3, 0.6]. Additionally, we find that fore-aft motions also lead to better recovery for St in [0.3, 0.9]. Moreover, we see that the recovery is closely linked to non-linear spatio-temporal dynamics. Special nonlinear dynamical effects are found in the shear layer region of the wake (y = R). For both directions of motion and St in [0.25, 0.55], the noisy wake dynamics synchronise to the frequency of the motion. For fore-aft motions and St in [0.55, 0.9], the wake shows more complex quasi-periodic phenomena. In fact, the driven frequency and a selfgenerated meandering mode emerge and interact non-linearly, as proved by occurring mixing components. Sideways motions result in large spatial structures of meandering. Fore-aft motions induce pulsing of the wake. Both modes are linked to the synchronisation effect. The quasi-periodic phenomena of fore-aft motions are connected to meandering mode. Overall, the spatio-temporal phenomena lead to faster recovery likely due to an increase of momentum transport towards wake centre.

研究动机与目标

• 研究谐和平台运动对浮动式海上风力涡轮机尾流恢复的影响。
• 分析非线性时空动力学在改变尾流演化与动量传输中的作用。
• 确定侧向（横摆）和前后（纵摇）运动如何影响向远尾流区的过渡。
• 量化运动频率（斯特劳哈尔数）对尾流恢复及湍流特性的影响。
• 将观测到的动态模态（摆动、脉动）与增强的动量交换及恢复速率联系起来。

提出的方法

• 在层流来流条件下，对缩尺的浮动式海上风力涡轮机模型（MoWiTO 0.6）进行风洞实验。
• 在不同频率下（St = 0.03 至 0.97）施加受控的谐和振荡，分别在横摆（侧向）和纵摇（前后）方向。
• 在下游距离 x/D = 6、8、10 处测量尾流亏损分布，以评估恢复动力学。
• 使用斯特劳哈尔数（St = fD/U）作为关键无量纲参数，表征运动频率的影响。
• 应用非线性动力学分析，识别尾流中同步性、准周期行为及混合成分。
• 将固定涡轮机基准情况与受运动影响的案例进行对比，以分离出运动引起的恢复增强效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 谐和侧向运动如何影响浮动式风力涡轮机尾流的恢复及非线性动力学？
• RQ2 与固定涡轮机情况相比，前后运动在多大程度上增强了尾流恢复？
• RQ3 在哪些斯特劳哈尔数下，非线性时空尾流动力学（如同步性或准周期性）会显现？
• RQ4 同步的尾流模态与自生摆动如何相互作用，进而影响动量传输与恢复？
• RQ5 相干尾流结构（摆动、脉动）与尾流恢复速率之间存在何种关系？

主要发现

• 在 St ∈ [0.3, 0.6] 范围内，横摆运动显著加速尾流恢复，其中 St ≈ 0.4 时恢复效果最佳。
• 纵摇运动在 St ∈ [0.3, 0.9] 范围内增强恢复效果，且在 St ≈ 0.8 时的恢复程度比 St ≈ 0.4 时高出约 10%。
• 对于横摆与纵摇运动，在 St ∈ [0.25, 0.55] 范围内，宽频带尾流动力学与驱动频率同步，表明存在相干响应。
• 在 St ∈ [0.55, 0.9] 范围内，前后运动因驱动频率与自生摆动模态之间的相互作用，产生复杂的准周期现象，频谱中的混合成分证实了这一点。
• 横摆运动诱发大尺度摆动结构，而纵摇运动则在尾流中引起脉动，二者均与非线性同步及增强的动量传输相关。
• 在最佳运动工况下，向远尾流区的过渡发生在 x ≤ 6D 处，而固定涡轮机则在 x ≈ 10D 处发生，表明动态激励导致恢复更早发生。