近期，《J. Fluid Mech.》刊登了中国科学院力学研究所何国威研究员科研团队在风机力尾迹机理方面的研究进展。论文题目是《不同偏航角风力机尾迹相似性的大涡模拟》(Large-eddy simulation on the similarity between wakes of wind turbines with different yaw angles)。

　　为实现碳中和、碳达峰3060目标，风能将在我国能源体系中发挥越来越重要的作用。风力机将风能转化为电能会在其下游形成风速低、湍流强度高的尾迹区域，影响下游风力机的电量产出和疲劳载荷。实地测量结果显示风力机尾迹会带来电量损失20%左右，甚至可高达80%。对风力机尾迹进行控制，降低其对下游风力机尾迹的影响，有望显著提高风电场性能。通过对风力机进行偏航控制，可将尾迹偏离下游风力机，进而提高其电量产出。目前，人们对偏航时尾迹的时间平均特性已有较好的了解，但对其湍流特性还知之甚少。

　　在这项工作中，我们采用大涡模拟和风力机的致动面模型模拟了不同风力机偏航角和不同来流湍流下的风力机尾迹特性，并推导了适合偏航风力机流向和横向尾迹特征的速度和长度尺度。模拟结果显示，在不同偏航角下，尾迹特征在适当归一化时相互重叠，包括尾迹偏转的流向变化、中心线上的速度亏损、尾迹宽度、瞬时尾迹中心位置的标准差和瞬时尾迹宽度(见图2)。不同偏航角尾迹的相似性表明，将偏航风力机的尾迹分解为流向尾迹和横向尾迹偏转是合理的，这对于开发低阶尾迹模型至关重要。模拟结果也显示跟随瞬时尾迹中心的平均尾迹宽度和平均流向速度低于空间固定坐标上的时间平均值。进一步，我们提出了关联两个坐标系上尾迹特征的解析表达式。该工作加深了对偏航风力机尾迹湍流特性的理解，为开发基于物理的动态尾迹模型提供了理论基础。该工作集中于单一风力机，将来工作将着重于风力机阵列的尾迹机理和控制。

　　该论文得到了国家自然科学基金基础科学中心项目(基金号11988102)的资助。论文链接: https://doi.org/10.1017/jfm.2021.495。

图 2: (a) 风力机偏航时的尾迹流动结构；(b) 不同偏航角风力机尾迹速度亏损对比；(c) 不同偏航角风力机尾迹湍动能增加对比。