Energetics of marine turbine arrays - extraction, dissipation and diminution
讨论了一种双尺度建模方法，以预测大量（超过几百个）安装在一般沿海环境中作为发电场的船用涡轮机的性能和能量。这种方法的核心是，外部或海岸尺度模型/模拟是评估通过给定农场区域的流量减少，作为农场上水头损失增加的函数，而内部或设备尺度模型/模拟采用该函数来说明（否则未知）该农场场地的海岸动力学影响，即由于通过农场的流量减少而导致从农场区域移除的功率减少。周期性明渠流的大涡模拟（LES）（用多孔板模型表示涡轮机），然后作为这样的大型船用涡轮机阵列的双尺度模型的设备尺度部分。结果表明，这种方法的有用性，以研究如何涡轮机阵列的整体能量（即提取，耗散和整个农场区域内的能量减少）可能会改变取决于农场现场，阵列配置和农场中的涡轮机的操作条件的特性。
2013-12-27 physics.flu-dyn
Evaluation of tilt control for wind-turbine arrays in the atmospheric boundary layer
尾流重定向是一种很有前途的方法，旨在减轻涡轮机尾流相互作用，对风电场的性能和寿命产生负面影响。最近已经发现，通过倾斜展向周期性风力机阵列的转子可以获得显著的功率增益。旋翼倾斜与相干流向涡的产生有关，这些涡使尾流向地面偏转，并通过利用垂直风切变，用更高动量的流体（高速条纹）取代它们。这项工作的目的是评估的功率增益，可以通过倾斜转子的展向周期性的风力机阵列浸没在大气边界层，特别是要分析的情况下，涡轮机出现在大气表面层的转子尺寸对功率增益的影响。我们表明，对于风对准阵列的情况下，大的功率增益可以获得为30°的顺序的正倾角。在推力系数高于参考配置的情况下，通过操作倾斜转子涡轮，功率增益显著增强。这些功率增益最初随着转子尺寸的增大而增大，当转子直径为3.6边界层动量厚度时达到最大值（对于所考虑的情况），当转子尺寸较大时，功率增益减小。获得最大功率增益的风力机展向间距是非常相似的大规模和非常大规模的条纹运动，自然放大的湍流边界层。这些结果都是一致的与以前的调查结果的被动控制典型的边界层的减阻应用程序中的高速条纹取代尾迹的展向周期性行壁装粗糙度元素。
2021-02-08 physics.flu-dyn
Multi-resolution large-eddy simulation of an array of hydrokinetic turbines in a field-scale river: The Roosevelt Island Tidal Energy project in New York City
海洋流体动力（MHK）发电系统能够从水路收集能量，而无需蓄水。一个主要的研究挑战的数值模拟领域规模的MHK农场源于水路的大小和能量收集设备之间的规模的巨大差距。我们提出了一个大涡模拟（LES）的框架，在现实生活中的海洋环境中使用一种新的非结构化笛卡尔流求解器耦合的尖锐界面浸没边界法进行高保真，多分辨率的模拟MHK阵列。该方法作为一个强大的工程设计工具的潜力，证明了它模拟一个30涡轮MHK阵列在纽约市东河开发中。MHK发电厂的虚拟模型是根据东河的高分辨率水深测量和Verdant Power设计的10个TriFrame布置中的30个涡轮机重建的。一个局部细化，靠近个别涡轮机，背景非结构化笛卡尔网格，使LES跨越一系列的几何尺度的相关跨越约五个数量级。模拟的流场与基线LES的流量在东河没有涡轮机进行了比较。虽然速度赤字和湍流动能水平的增加，观察附近的涡轮机尾流，远离涡轮机以及在水面上只有小的平均momentum.Therefore增加，我们的研究结果点的结论，MHK能量收集从大河是可能的，而不会显着中断的河流流量。
2018-10-07 physics.flu-dyn
An investigation into the accuracy of the depth-averaging used in tidal turbine array optimisation
水深平均浅水模型广泛应用于潮流水轮机组的大尺度模拟。这种方法的计算复杂度相对较低，可以进行布局优化，旨在提高阵列总功率输出以及评估大规模环境影响。为了评估使用深度平均模型优化阵列配置的适用性，提出了一个2D浅水模型和3D致动器盘动量（ADM）模型预测的尾流剖面和功率输出之间的全面比较。最初，粘度敏感性分析，概述了与使用恒定的涡动粘度在深度平均模型的限制，并概述了正确校准这个值的重要性，符合自由落体速度大小。此后，深度平均OpenTidalFarm（OTF）工具用于优化32个涡轮机阵列在理想通道中的位置，3D Fluidity ADM-RANS模型首次用于评估OTF预测的准确性。它示出，与校正功率计算的帮助下，可以实现两个模型之间的良好的协议，从而证明在深度平均模型中实施的涡粘性校准的值。
2018-10-23 physics.flu-dyn
Experimental techniques for evaluating the performance of high-blockage cross-flow turbine arrays
本文比较了两种实验方法研究阻塞率对横流涡轮机阵列性能的影响，发现性能系数随阻塞率增加而超过贝兹极限，并推荐固定阵列面积、改变通道面积的方法以避免结构干扰。
2023-10-02 physics.flu-dyn
Potential order-of-magnitude enhancement of wind farm power density via counter-rotating vertical-axis wind turbine arrays
由水平轴风力涡轮机（HAWT）组成的现代风电场需要大量的土地资源来将每个风力机与相邻的涡轮机尾流分离。这种空气动力学约束限制了可以从给定风电场占地面积提取的功率量。HAWT风电场的低效率目前通过使用更高的风力机来补偿，以在高海拔获得更多的风力资源，但这种解决方案是以更高的工程成本和更大的视觉，声学，雷达和环境影响为代价的。我们研究了使用反向旋转垂直轴风力机（VAWTs），以实现更高的功率输出每单位土地面积比现有的风力发电场组成的HAWT。2010年夏季，在自然风条件下，对10米高的垂直轴风力发电机进行了各种反向旋转配置的全尺寸现场试验。尽管由HAWT组成的现代风电场每平方米土地面积产生2至3瓦的功率，但这些现场测试表明，通过将VAWT布置在使其能够从相邻尾流和风电场上方提取能量的布局中，可以潜在地实现更大数量级的功率密度。此外，这种改进的性能不需要更高的单个风力机效率，仅需要更近的风力机间距和来自大气表面层的湍流动能的足够的垂直通量。结果表明，风力发电的替代方法，有可能同时降低成本，规模和风力发电场的环境影响。
2011-06-24 physics.flu-dyn
Mesh-adaptive simulations of horizontal-axis turbine arrays using the actuator line method
由于在真实规模的海上风电场内运行的涡轮机而产生的流动和尾流的数值模型可能导致过大的计算成本，特别是在考虑叶片分辨模拟时。随着涡轮参数化的引入，如致动器盘（AD）或致动器线（AL）模型，这个问题已经得到部分解决，但与这些模拟相关的计算成本仍然很高。在这项工作中，我们提出了一个实施和验证的AL模型内的网格自适应三维流体动力学求解器，流动性，下一个非定常的雷诺平均Navier-Stokes湍流建模方法。这种实现的一个关键特征是使用网格优化技术，其允许根据流体流动求解器所需的分辨率局部地自动细化或粗化网格。该模型首先验证实验数据从风洞试验。最后，我们通过考虑流经Lillgrund海上风电场来证明网格自适应的好处。
2018-10-08 physics.flu-dyn
Performance characteristics and bluff-body modeling of high-blockage cross-flow turbine arrays with varying rotor geometry
本文通过180组几何与阻塞比实验及两种钝体模型，揭示高阻塞横流式水轮机最优叶片数随阻塞比增加，并证明推力系数与动态实度的自相似关系。
2025-06-16 physics.flu-dyn
Experimental validation of a linear momentum and bluff-body model for high-blockage cross-flow turbine arrays
本研究通过实验验证了30%至55%高阻塞比下横流涡轮阵列的性能与近尾流特性，证明基于线性动量理论和钝体理论的解析模型能够有效预测高度受限涡轮的水动力表现。
2025-08-19 physics.flu-dyn
Experimental evaluation of advanced control strategies for high-blockage cross-flow turbine arrays
本文通过实验评估高阻塞比双转子横流涡轮阵列在恒速、转矩和周期内变速三种控制策略下的性能，发现先进控制在35%-55%阻塞比下无显著效率提升，反而周期内控制降低性能，从而简化了阵列控制设计空间。
2025-07-02 physics.app-ph physics.flu-dyn
Analytical models for the asymmetric wake of vertical axis wind turbines
垂直轴风力机（VAWTs）阵列可以实现比水平轴涡轮机农场更大的单位土地面积的发电量，这是由于邻近的VAT之间的积极协同作用。理论尾流模型使得阵列布局的可靠设计能够最大化能量输出，这需要描述驱动尾流动态。VAWT产生高度复杂的尾流，该尾流根据两个控制长度尺度（即涡轮转子的直径和高度，其限定了尾流横截面的矩形形状）而演变，并且具有不同的尾流膨胀率。本文提出了分析VAWT尾流模型，考虑到这种尾流膨胀的非对称分布，采用了礼帽和高斯速度赤字分布。我们提出的分析高斯模型导致增强的初始尾流扩展预测，其中转子后面的尾流宽度（$\varepsilon$）等于$(β/4 π)^{1/2}$，其中$β$是初始尾流面积与VAWT的前面积的比率，这解决了先前模型对尾流起始面积预测不足的局限性。在一系列数值基准中计算速度赤字预测，这些基准包括单个和四个直列垂直轴风力机阵列。通过与现场数据和大涡模拟的比较，我们的模型能够很好地描述平均尾流分布、最大速度差和动量厚度，其中高斯模型的预测效果最好，这些模型将有助于推动VAT阵列的设计并加速这项技术的发展。
2020-10-01 physics.flu-dyn
Two-scale interaction of wake and blockage effects in large wind farms
涡轮机尾流和风电场阻塞效应可能会显著影响大型风电场产生的功率。在这项研究中，我们进行大涡模拟（LES）的50个无限大的海上风电场与不同的涡轮机布局和风向。LES结果与双尺度动量理论（Nishino & Dunstan 2020，J. Fluid Mech.894，A2）相结合，以研究大型但有限尺寸农场的空气动力学性能。无限大的农场的功率被发现是一个强大的函数的阵列密度，而大型有限大小的农场的功率取决于阵列密度和涡轮机布局。从双尺度动量理论推导出的分析模型预测了阵列密度对所有50个农场的影响，因此可以用作农场性能的上限。我们还提出了一种新的方法来量化涡轮机规模的损失（由于涡轮机尾流相互作用）和农场规模的损失（由于农场平均风速的降低）。它们都取决于大气对风电场响应的强度，我们的研究结果表明，对于大型海上风电场，风电场规模的损失通常是涡轮机规模损失的两倍以上。这被认为是由于涡轮机尾流和农场感应效应之间的双尺度相互作用，解释了为什么涡轮机布局对农场功率的影响随大气响应的强度而变化。
2022-11-08 physics.flu-dyn
Fish schooling as a basis for vertical axis wind turbine farm design
由于孤立涡轮机的高功率系数（机械功率输出除以通过涡轮机横截面积的自由流空气的功率），大多数风电场由水平轴风力机（HAWT）组成。然而，当靠近邻近涡轮机时，HAWT的功率系数会降低。相比之下，先前关于垂直轴风力机（VAWT）的研究表明，当靠近相邻风力机放置时，紧密间隔的VAWT可能仅经历单个风力机的功率系数的小的减小（或甚至增大），从而对于给定面积的陆地产生高得多的功率输出。建立了VAWT间相互作用势流模型，研究了VAWT空间布置变化对阵列性能系数的影响，并将阵列中涡轮的预期平均功率系数与空间隔离涡轮进行了比较。示出了基于在集群鱼的尾流中的脱落涡流的配置的几何布置，以基于16x16风力机的阵列来显著增加阵列性能系数。结果表明，在一个给定的土地面积的功率输出增加超过一个数量级相比，HAWT。
2010-02-11 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Analytical solution for the cumulative wake of wind turbines in wind farms
本文求解了风电场阵列中涡轮机的质量和动量守恒的近似形式。该解决方案是一个相当简单的显式关系，预测任意布局的风电场内的流向速度分布。由于该模型是通过直接求解涡轮机的流动控制方程获得的，该涡轮机受到逆风涡轮机尾流的影响，因此不需要特别叠加技术来预测风电场流动。一套大涡模拟（LES）的风电场阵列被用来检查自相似性，以及所谓的守恒的动量赤字的风力发电场涡轮机尾流的有效性。在风电场中存在和不存在某些特定涡轮机的情况下进行模拟。这使我们能够系统地研究为建立分析模型所作的一些假设。还提出了动量守恒亏损的修改版本，以便在短顺风距离以及风电场深处涡轮机的远尾流中提供稍好的结果。在全尾流和部分尾流条件下，根据涡轮机的LES数据验证模型预测。虽然我们的研究结果突出了捕获相邻涡轮机柱之间的流速的限制，但该模型总体上能够以可接受的方式预测中等规模风电场的流量分布。最后，本文采用新的模型提供见解的准确性常见的尾流叠加方法。
2020-11-06 physics.flu-dyn
Near-wake structure of full-scale vertical-axis wind turbines
为了设计和优化垂直轴风力机（VAWTs）阵列以获得最大功率密度和最小尾流损失，需要仔细考虑这些涡轮机在实际操作条件下的尾流的固有三维结构。因此，一种新的体积粒子跟踪测速方法被开发出来，用于测量现场条件下全尺寸VAWT周围的三维流场。实验在位于加利福尼亚州兰开斯特的风能优化现场实验室（FLOWE）进行，使用六台摄像机和人造雪作为示踪粒子。获得了一个2 kW涡轮机（带有5个直叶片）和一个1 kW涡轮机（带有3个螺旋叶片）的速度和涡量测量值，每个涡轮机都有两个不同的叶尖速比，雷诺数基于转子直径$D$，介于$1.26 \times 10^6$和$1.81 \times 10^6$之间。观察到螺旋叶片涡轮机诱导的倾斜尾流。通过考虑从旋转叶片流出的涡线的动力学，将倾斜尾流与螺旋叶片的几何形状联系起来。此外，还定量分析了倾斜尾迹对涡轮旋转诱导的流向马蹄涡的影响。最后，这些动力学的影响，为复苏的尾流进行了检查。因此，这项研究建立了VAWT的几何特征和其近尾区的突出三维流动特性之间的流体机械连接，这可能会为涡轮机的设计和高效阵列的涡轮机布置提供信息。
2020-05-15 physics.flu-dyn
On the validity of tidal turbine array configurations obtained from steady-state adjoint optimisation
从潮汐涡轮机阵列中提取最佳功率量需要对潮汐动力学以及涡轮机放置对局部和区域尺度流的影响有复杂的理解。数值模型对这一理解做出了重大贡献，最近，基于伴随的建模已被用于以自动化的方式优化涡轮机阵列中的定位，并改进简单的常规人造配置。高分辨率和理想的3D瞬态模型的基于伴随的优化通常是计算上非常昂贵的问题。其结果是，现有的潮汐涡轮机位置的伴随优化的工作主要局限于稳态模拟，其中需要非常高的，非物理值的背景粘度，以确保存在一个稳态的解决方案。然而，这样的妥协可能会影响建模涡轮机的可靠性，它们的尾流和相互作用，从而使计算的最佳涡轮机位置的有效性受到质疑。这项工作考虑了一套理想化的模拟流过去的潮汐涡轮机阵列在一个二维通道。它比较了Divett等人（2013）详细描述的四种规则阵列配置，以及通过稳态高粘度设置中的伴随优化发现的配置。优化的配置可产生更大的功率。相同的配置，然后用于产生一套瞬态模拟，不使用恒定的高粘度，而是使用大涡模拟（LES）的参数化产生的湍流结构。结果表明，LES模拟产生的功率小于恒定高粘度运行预测的功率。尽管如此，它们在整个时间内仍然遵循相同的功率曲线趋势，优化的布局继续比简化的配置表现得更好。
2016-01-29 cs.CE math.OC physics.flu-dyn
Near-Wake Dynamics of a Vertical-Axis Turbine
横流或垂直轴涡轮机是用于捕获风或流水中的动能的有前途的技术，并且其固有的不稳定流体力学为单独转子或阵列的控制优化提供了独特的机会。为了探索阵列涡轮机之间有益相互作用的潜力，在水槽中使用平面立体粒子图像测速技术检查单个两叶片双击式水轮机的尾流中的相干结构。首先，这种高弦径比转子的平均尾流结构进行了描述，与以前的研究相比，并提出了一个简单的解释观察到的尾流偏转。其次，非定常流，然后通过三重分解分析，与使用传统的技术和优化的动态模式分解的一种新的实现的组合提取的周期性分量。后一种方法被证明优于条件平均和傅立叶方法，以及揭示频率表明过渡到钝体脱落在远尾流。第三，涡量和有限时间李雅普诺夫指数，然后进一步分析振荡尾流分量。识别了尾流两侧的涡列，并讨论了其形成机理和对平均流场的影响。在叶片向下游移动的转子后退侧的旋涡结构中观察到强烈的轴向（垂直）流。时间分辨跟踪这些涡流，这表明，涡流轨迹有显着的旋转到旋转的变化在一个直径下游。这种可变性表明，在更远的下游距离利用或避免此类结构将是一项挑战。
2021-02-28 physics.flu-dyn
Impacts of Blade Camber on Cross-Flow Turbine Performance and Loading
本研究对比了不同弯度叶片对横流涡轮性能与载荷的影响，发现凹面朝内的叶片能促进流动重附着并降低13%峰值载荷，且适中的正总弯度为最优设计。
2025-09-17 physics.flu-dyn
Wake Turbulence of Two NREL 5-MW Wind Turbines Immersed in a Neutral Atmospheric Boundary-Layer Flow
该流体动力学视频考虑了在中性大气边界层（ABL）中由七个转子直径分开的两个NREL 5 MW涡轮机的阵列。中性大气边界层流动数据是通过使用OpenFOAM中的大涡模拟（LES）框架的前体ABL模拟获得的。轮毂高度平均风速8 m/s，表面粗糙度0.2m。采用激励线法（ALM），通过在动量方程中加入体积力，对风力机叶片进行建模。流体动力学视频从不同的角度显示了叶片产生的根部和尖端涡流。旋涡变得不稳定，并分解成大尺度的湍流结构。随着风力机的尾流向下游进一步平流，产生较小尺度的湍流。显然，由于上游风力机的尾流产生的湍流水平增加，下游风力机的叶片产生的涡流更快地分解。
2013-10-11 physics.flu-dyn
Beyond the Betz Theory - Blockage, Wake Mixing and Turbulence
本文综述了近年来有关船用流体动力（MHK）涡轮机极限效率的分析模型，重点讨论了阻塞（局部和全局流道）和尾流混合的重要性。还讨论了充分发展的紊流明渠水流发电的效率。这些问题主要涉及潮汐涡轮机阵列的设计/优化;然而，其中一些也与风力机相关。
2013-02-21 physics.flu-dyn
Effect of aspect ratio on cross-flow turbine performance
双击式水轮机将风或水流中的动能转换为机械能。与轴流式水轮机不同，几何参数对水轮机性能的影响尚未得到很好的理解，部分原因是既没有通用的分析公式，也没有描述其流体动力学的廉价、准确的数值模型。在这里，我们通过实验研究了纵横比（叶片跨度与转子直径的比值）对水道中直叶片贯流式双击式水轮机性能的影响。为了隔离纵横比的影响，所有其他无量纲参数保持不变，包括相对约束、弗劳德数和雷诺数。性能系数在所测试的展弦比范围（0.95 - 1.63）内保持不变，我们将其归因于该涡轮机设计的最小叶片-支架相互作用。最后，重复实验的一个子集，而不控制弗劳德数和性能系数被发现增加，弗劳德数的变化，可能会错误地归因于纵横比的后果。这突出了在探索几何参数对双击式水轮机性能的影响时，严格的实验设计的重要性。
2021-04-15 physics.flu-dyn
Flow visualization using momentum and energy transport tubes and applications to turbulent flow in wind farms
作为基于质量通量的经典流管的推广，动量和能量传输管的概念被讨论作为流动显示工具。这些输运管分别具有这样的性质，即在它们各自的管幔上不存在动量或能量通量。作为使用大涡模拟数据的示例应用，在充分发展的风力涡轮机阵列边界层中，对大型风力发电场中湍流的平均流结构进行可视化。当涡轮机间距变化时，能量传输管的三维组织变化很大，使得能够可视化最终在阵列内的任何给定涡轮机处可用的动能通量所采取的路径。
2012-10-19 physics.flu-dyn
Wind farms as sensor arrays of turbulent boundary layer spatio-temporal flow structure
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
本文提出扩展分析框架预测风电场功率波动谱，结合LES验证，可准确预测总功率频谱，助力风电场电网整合。
2026-08-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Effects of turbine spacing on the power output of extended wind-farms
本文介绍了几种不同展向和流向间距组合的涡轮机配置的扩展风电场的大涡模拟（LES）结果。结果表明，对于展向间距在$\approx[3.5,8]$ D范围内（其中$D$是涡轮机直径）的交错布置的风电场，完全发展状态下的功率输出主要取决于展向和流向涡轮机间距的几何平均值。相比之下，对于对齐的配置，在充分发展的政权的功率输出强烈依赖于流向涡轮机的间距，并显示出弱的依赖展向间距。感兴趣的尾流恢复率，我们发现，功率输出与垂直的动能通量，这是多少动能转移到风力涡轮机区域的平均流量的措施是相关的。对齐和交错配置之间的比较表明，垂直动能通量是更本地化的对齐风电场比交错的涡轮机行。这种额外的混合导致对齐的风电场的相对快速的尾流恢复。
2017-07-06 physics.flu-dyn
An entrainment model for fully-developed wind farms: effects of atmospheric stability and an ideal limit for wind farm performance
虽然单个涡轮机的性能早已确定了理论极限，但大型风电场的功率输出没有相应的上限，因此难以评估进一步提高性能的潜力。在这里，我们建立了一个模型，描述了一个大型阵列的涡轮机的基本特征，任意的设计和布局，通过考虑一个完全开发的风电场，其上边缘是由自相似的边界层。风电场、上覆边界层和外流之间的交换通过经典卷吸假设进行参数化。我们得到一个简洁的表达式为风电场的功率密度（对应于每单位平面面积的功率输出），作为三个系数的函数，这代表了阵列推力和湍流交换在两个接口。我们评估我们的模型的性能，通过比较预测的功率密度的现场数据，实验室测量和大涡模拟的风力发电场的充分发展的地区，找到良好的协议。我们扩展我们的模型，包括大气稳定性对功率输出的影响，通过使用一个既定的参数化夹带系数当地弗劳德数。我们的预测与大气稳定度的功率变化与现场测量广泛一致。据我们所知，这构成了第一个定量比较大气稳定度相关的模式和现场数据。最后，我们考虑一个理想的限制阵列的操作，从而涡轮机的设计，以最大限度地增加与上覆的边界层的动量交换。这使我们能够获得一个上限的大型风电场，我们确定是一个数量级大于当代涡轮机阵列的输出的性能。
2017-03-20 physics.flu-dyn
Enhanced wind-farm performance using windbreaks
由防风林产生的气流加速可用于增加风力机的发电量。然而，由于防风林施加的阻力增加，它们在大型风力机阵列中的使用受到质疑。我们使用大涡模拟表明，防风林可以增加大型风电场的发电量。一个关键的发现是，风电场的防风林应该比单个涡轮机的情况低得多。事实上，孤立涡轮机的最佳防风林会降低风电场的性能。风力发电场中的最佳防风林高度即取决于在防风林上的流动加速和由农场中的所有防风林施加的阻力之间的正确平衡。增加的性能是由防风林产生的有利的总压通量的结果。
2021-08-02 physics.flu-dyn
Optimizing the Interplay Between the Chord-to-Radius Ratio, Camber and Pitch of Cross-Flow Turbine Blades
本研究探讨了横流式水轮机中弦长半径比、叶片弯度与预设螺距的相互作用，通过保角变换量化虚拟效应，提出将几何变量与耦合虚拟效应整合为净弯度和净迎角两个有效参数，为水轮机几何优化提供了更统一的框架。
2025-09-17 physics.flu-dyn
Generalisation of the two-scale momentum theory for coupled wind turbine/farm optimisation
提出了一种扩展的理论方法来预测大型有限规模风电场中风力机的平均功率。该方法基于最近提出的用于模拟理想超大型风力发电场的双尺度动量理论，但该理论现在通过引入由发电场上游和下游侧之间的发电场引起的附加压差的影响而得到推广，使该方法适用于大但不像驱动气流的相关大气系统的大小那样大的实际风电场农场为了验证广义理论模型，在八种不同的条件下，对大阵列（25 x 25）的致动器（阻力）盘上的边界层流进行了三维雷诺平均Navier-Stokes模拟。结果表明，广义模型可以嵌入到一个区域尺度的大气模型，以预测一个给定的风电场的平均功率有效。该方法还可以与叶片单元动量（BEM）理论相结合，用于耦合的风力机/农场优化。
2018-10-11 physics.flu-dyn
On the Aerodynamics of Multistage Co-Axial Vertical-Axis Wind Turbines
本研究探讨一种新型的多级共轴垂直轴风力机的空气动力学的基础上，生物灵感来自于自然游泳的习惯。涡轮机是由传统的直叶垂直轴涡轮机（VAWT）与一个小的内转子，也是三个叶片。内转子的方位角和径向位置是变化的。使用数值模拟，所提出的新设计的性能进行了评估的叶尖速度比的范围。初步结果表明，在叶尖速比TSR = 0 - 3时，多级VAWT的功率输出增加了600%，而在TSR > 3.0时，功率系数大幅下降。尾流动力学分析表明，增加是由于一个转子和其他叶片之间的相互作用。这减少了产生大部分功率的外转子的不稳定分离。一个详细的参数研究也完成了，这表明的几何和运动学的细节上的性能的建议多级VAWT的影响。
2021-07-09 physics.flu-dyn
An experimental evaluation of the interplay between geometry and scale on cross-flow turbine performance
本研究通过223次实验评估了叶片数、预设桨距角和弦径比对交叉流涡轮性能的影响，发现实度虽非最大性能的良好预测指标，却是最大性能对应叶尖速比的极佳预测指标。
2024-08-29 physics.flu-dyn
Development of a Scaled Down Horizontal Axis Wind Turbine for Wind Tunnel Tests
本文提出一种基于BEM理论和QBlade设计、通过增材制造制作并缩比至0.15米叶片的风力机模型，在风洞中测试发现5度桨距角下性能系数最高达0.32，为低成本实验验证提供方法。
2025-04-25 physics.flu-dyn
Modeling and optimization for arrays of water turbine OWC devices
本文研究振荡水柱型波浪能转换器园区的布局与控制优化问题，提出基于非线性常微分方程的新模型及其线性化形式，利用伴随方法实现功率关于位置的梯度优化，发现装置间相互作用及海上平台桩柱的波浪反射对能量生产有显著影响。
2024-03-21 math.OC physics.flu-dyn
Transient growth mechanisms of low Reynolds number flow over a low-pressure turbine blade
本文对T-106/300低压涡轮风扇叶片周期性排列的三维扰动流场进行了直接瞬态增长分析。该方法是基于一个奇异值分解的流量演化算子，线性化的稳定或周期性的基流。这种分析产生了最优的增长模式。以前的工作的全局模式的稳定性分析，这种流动的几何形状表明，流动是渐近稳定的，表明非模态的过渡解释可能是更合适的。目前的工作扩展了以前的调查到周围的稳定的基流的瞬态增长，更高的雷诺数和周期性的基流。据发现，显着的瞬态增长的最佳模式表明一个合理的路线过渡相比，这种配置的模式增长。的空间范围和本地化的最佳模式进行检查和可能的物理触发机制进行了讨论。据发现，对于较长的时间和较长的展向波长，在剪切层中的分离激发尾流模式。对于较短的时间和展向波长，较小的增长与近尾流的激发观察。
2013-02-12 physics.flu-dyn
Numerical Simulation and Aerodynamic Optimization of Two-Stage Axial High-Pressure Turbine Blades
本研究以两级轴流式高压涡轮叶片的安装角、进出口角为设计变量，结合CFD、DOE和遗传算法进行气动优化，使扭矩、功率和多变效率分别提升8.4%、0.69%和1.2%，验证了方法的有效性。
2024-01-04 physics.flu-dyn
CFD-based design optimization of a 5 kW ducted hydrokinetic turbine with practical constraints
本文通过CFD、伴随求解器和梯度优化器联合优化涵道、叶片和轮毂，设计出5 kW涵道式水动力涡轮机，在满足可制造性约束下实现50%效率，优于自由流Bahaj涡轮机的45%。
2024-11-20 physics.flu-dyn
The Area Localized Coupled Model for Analytical Mean Flow Prediction in Arbitrary Wind Farm Geometries
提出基于Voronoi镶嵌的ALC模型，耦合局部化自上而下边界层与尾流模型，实现任意复杂风电场布局的平均流和功率预测，并经LES验证优于现有方法。
2020-09-28 physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulation of Vertical-Axis Wind Turbine Near-Wake Dynamics
School of Engineering, Newcastle University（纽卡斯尔大学工程学院）
通过高保真直接数值模拟，研究了叶片数对垂直轴风力机近尾流中动态失速涡演化的影响，发现叶片-涡相互作用加速涡破裂并促进尾流向钝体动力学过渡。
2026-05-26 physics.flu-dyn
Energy harvesting via co-locating horizontal- and vertical-axis wind turbines
最近提出了将水平轴和垂直轴风力机共同定位作为提高风电场的陆地面积功率密度的可能方法。在这项工作中，我们的目标是研究的好处与这样一个共同的位置使用大涡模拟（LES）和分析尾流模型。在这方面，三角形集群中的小规模垂直轴风力机（VAWT）被部署在由水平轴风力机（HAWT）组成的有限大小的风电场内。风力发电场内的尾流和VAWTs对整个风力发电场效率的影响进行了研究和量化。结果表明，小规模VAWT的优化部署对HAWT阵列性能的影响可以忽略不计，同时增加了总的功率生产。对于这里考虑的特定情况，与仅存在HAWT的基线情况相比，共址风电场的功率输出增加高达21%。此外，通过比较LES的结果，它表明，这里提出的分析框架是能够准确地预测风电场，包括HAWT和VAWTs的发电量。接下来，作为一个现实世界的应用程序，部署小规模的VAWT内的角Rev 1风电场的潜在好处进行了探索，为各种风向使用校准后的尾流模型。结果表明，在本研究中调查的一个特定的VAWT布局，在所有风向的平均风力发电场的发电量增加约18%的潜力。还评估了位于同一地点的风电场的平准化能源成本（LCoE）。模拟发现，VAWT的安装增加了风电场的年发电量，同时也增加了LCoE，这是由于a）缺乏运行数据，b）VAWT和浮动基础的技术准备水平较低。
2020-08-05 physics.flu-dyn
Two-scale momentum theory for very large wind farms
提出了一种新的理论方法来预测一个非常大的风电场的效率的实际上限。新理论表明，理想的超大型风电场中的理想涡轮机的效率主要取决于无量纲参数$λ/C_{f0}$，其中$λ$是转子扫掠面积与陆地面积之比（对于每个涡轮机），而$C_{f0}$是在建造风电场之前观察到的自然摩擦系数。当$λ/C_{f0}$趋近于零时，新理论回到经典的致动器盘理论，得到著名的Betz极限。当$λ/C_{f0}$增大到较大值时，每个涡轮机的最大功率系数减小，同时发电场的归一化功率密度渐近地增大到上限。一个无限大的风力发电场与“对齐”和“位移”阵列配置的CFD分析也提出了验证新理论中使用的一个关键假设。
2016-05-03 physics.flu-dyn
Design Implications of Chord Length and Number of Blades on Self-Starting Process in Vertical-Axis Wind Turbines
Nature-Inspired Engineering Research Lab (NIERL), Department of Mechanical and Mechatronics Engineering, Lakehead University（湖首大学机械与机电工程系自然启发工程研究实验室）
研究通过URANS模拟分析了翼型长度和叶片数量对垂直轴风力机自启动过程的影响，发现增加叶片数可提升早期加速但降低稳态尖速比，而增加翼型长度则促进自启动但增加粘性损失。
2026-03-02 physics.flu-dyn
Understanding the effects of rotation on the wake of a wind turbine at high Reynolds number
本文在高雷诺数下研究水平轴风力涡轮机尾流，发现较低叶尖速比通过增强湍流加速尾流恢复，且尾流蜿蜒与核心结构具有叶尖速比无关性，核心结构寿命与其相对湍流强度有关。
2024-08-22 physics.flu-dyn
Wind Tunnel Testing and Modeling Implications of an Advanced Turbine Cascade
本文针对低亚声速等截面涡轮叶片开展大规模风洞试验，测定多参数下的气动性能，结合三维测量补充结果，验证了设计目标，并评估了CFX和MISES两种CFD工具的预测能力，讨论了测量与预测的差异。
2024-07-15 physics.flu-dyn
Modeling the induction, thrust, and power of a yaw misaligned actuator disk
集体风电场流量控制，其中风力机在单独的次优策略中操作，以使总风电场受益，已经证明了减少尾流相互作用和增加风电场能量生产的潜力。然而，用于流量控制的现有尾流模型通常使用简化的经验表达式来估计偏航未对准涡轮机的推力和功率，这需要昂贵的校准数据并且不能在涡轮机模型之间准确地外推。偏航风力机的推力、尾流速度差、尾流偏转和功率取决于其诱导速度。在这里，我们扩展了经典的一维动量理论模型的诱导偏航失调致动器磁盘。推导了诱导、推力、初始尾流速度和功率的解析表达式，作为偏航角和推力系数的函数。对偏航驱动盘的大涡模拟的分析模型进行了验证。由于诱导取决于偏航和推力系数，偏航致动器盘产生的功率将总是大于$\cos^3(γ)$模型建议的功率，其中$γ$是偏航。偏航损失的功率取决于推力系数。推力系数的解析表达式，最大限度地提高功率，取决于偏航，开发和验证。最后，使用开发的感应模型作为湍流远尾流模型的初始条件，我们演示了如何结合尾流转向和推力（感应）控制可以增加阵列功率，相比，无论是独立的转向或感应控制，由于联合依赖的推力系数和偏航角的感应。
2022-08-31 physics.flu-dyn
The complementary Betz Theory
贝兹定律的经典推导首先提出了一些见解。本文推导了轴与理想流体匀速运动方向正交的转子的推广Betz理论。用于证明能量转换的空气动力学方面的一般性的概念设计-从经典理论的暗示性方法和贝茨定律的几何解释开始-通过强制遵守涡轮机必须接近16/27的理想效率的最低要求来定义。贝兹角的作用的发现允许在更一般的背景下证明理论，将其从平面的二维表示扩展到对问题的更深层次的三维理解。随后的结果，特别是通过致动器缸的有限拓扑结构获得恒定产量和最大效率的可能性，意味着具有垂直于风向的轴线的真实涡轮机的原则上的可行性。
2022-01-01 physics.flu-dyn
Collective wind farm operation based on a predictive model increases utility-scale energy production
位于风力发电场中的风力涡轮机被操作以仅最大化其自身的电力生产。单独操作会导致尾流损失，从而降低农场能量。在这项研究中，我们共同操作的风力涡轮机阵列，以最大限度地提高总阵列生产通过尾流转向。农场控制策略的选择依赖于计算效率高的流量模型的优化。我们开发了一个基于物理的、数据辅助的流量控制模型来预测最优控制策略。与以往的研究相比，我们首先设计并实施了一个多月的现场实验，在公用事业规模的风电场，以验证该模型在一系列的控制策略，其中大部分是次优。对于大多数风向，流控制模型能够预测阵列的最佳偏航失准角在+/-5度内（11-32%功率增益）。使用经过验证的模型，我们设计了一个控制协议，该协议增加了2.7%和1.0%，在第二个多月的实验中的农场的能源生产，为感兴趣的风向和风速之间的6和8米/秒和所有的风速，分别。开发和验证的预测模型可以使更广泛地采用集体风电场运行。
2022-01-26 math.OC physics.flu-dyn
Pressure Bifurcation Phenomenon on Supersonic Blowing Trailing Edges
在跨音速-超音速状态下运行的涡轮叶片在后缘处形成复杂的激波系统，该现象导致下游不利的压力扰动，并且可以与其他涡轮级相互作用。为了确定对这些压力波动有影响的参数，了解后缘附近区域的流体行为是必要的。从高压压气机排出的冷气流通常在后缘处吹扫，以冷却薄叶片边缘，从而影响流动行为并调节激波系统的强度和角度。然而，由于喷射流引起的压力差，这种吹扫流有时会产生非对称配置。在这项工作中，RANS模拟和全局稳定性分析相结合，解释这种流动分叉的物理原因。分析自然出现在流中的功能，并成为主导的一些值的参数所涉及的问题，反对称的全球模式，有关的后缘槽的突然的几何扩张，被确定为主要的机制，迫使流拓扑结构的变化。
2018-06-29 physics.flu-dyn
Turbulence enhancement of a fan array wind generator using geometric texturing and optimization-based control
本研究通过几何纹理和优化控制方法增强风扇阵列风发电机的湍流，发现棋盘图案能产生均匀湍流，而优化方法虽提高局部湍流但牺牲空间均匀性。
2025-12-16 physics.flu-dyn
Efficient Estimation of the Convective Cooling Rate of Photovoltaic Arrays with Various Geometric Configurations: a Physics-Informed Machine Learning Approach
本研究提出一种结合物理信息机器学习（PIML）和深度卷积神经网络（DCNN）的新方法，并引入Pocket Loss损失函数，用于高效预测不同几何配置光伏阵列在风场中的对流换热速率，相对误差仅1.9%，为实际配置设计提供指导。
2024-03-25 physics.flu-dyn
Effects of fluid rheology and geometric disorder on the enhanced resistance of viscoelastic flows through porous media
Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University（冲绳科学技术大学院大学）
研究通过微流体柱阵列中两种不同流变学的粘弹性流体的压降和流速测量，探讨流变学和几何杂乱对多孔介质中粘弹性流体增强阻力的影响，发现对齐阵列中几何杂乱增加阻力增强，而错位阵列则不受影响。
2026-03-21 physics.flu-dyn
Quasi-static closed-loop wind-farm control for combined power and fatigue optimization
本文提出一种结合代理载荷模型与准静态高斯尾流模型的闭环风电场控制方法，在保证发电量的同时有效降低疲劳载荷，并能在线响应机组停机等动态场景。
2023-05-19 cs.SY eess.SY physics.flu-dyn
Dimensionality Reduction and Dynamical Mode Recognition of Circular Arrays of Flame Oscillators Using Deep Neural Network
City University of Hong Kong（香港城市大学）；The Hong Kong Polytechnic University（香港理工大学）
本文提出Bi-LSTM-VAE-WDC方法，利用深度神经网络对圆环火焰振荡器阵列的动态模式进行有效识别和分类。
2023-12-13 cs.LG physics.flu-dyn
Wind farm yaw control set-point optimization under model parameter uncertainty
本研究提出一种纳入模型参数不确定性的风电场偏航设定点优化方法，经开环数值实验与闭环大涡模拟验证，可提升尾流转向控制鲁棒性，低湍流特定布局下发电量提升显著。
2021-03-14 math.OC physics.flu-dyn
Overlimiting current in non-uniform arrays of microchannels
近年来，通过与选择性渗透膜连接的电解质的过限电流（OLC）已被广泛研究，以理解传输的基本机制并开发从电化学到样品分析和分离的有效应用。占主导地位的机制负责OLC包括表面传导，对流电渗流，和电渗不稳定性取决于输入参数，如表面电荷和几何收缩。这项工作研究了如何在一个非均匀的阵列，它模仿自然的孔隙配置的微通道网络，可以有助于OLC。为此，微/纳流控装置被制造成具有非均匀尺寸分布的平行微通道阵列。所有情况下都保持相同的表面和体传导，以允许仅通过通道的不均匀性来探测灵敏度。实验和理论的电流-电压关系表明，OLC的增加与非均匀性。此外，内部再循环流的可视化表明，不均匀的阵列诱导流动环路，通过网络增强平流输送。这些证据证实了OLC的新驱动机制，灵感来自具有随机几何结构的天然微/纳米多孔材料。因此，这一结果不仅可以促进对纳米电动力学的基本理解，而且可以为电化学膜的工程应用提供设计准则。
2019-10-21 physics.app-ph physics.flu-dyn
