Characterization of atmospheric coherent structures and their impact on a utility-scale wind turbine
已知大气湍流速度波动会增加风力机的结构载荷并加速尾流恢复，但尚未评估大气中的涡旋相干结构对风力机的影响。目前的研究使用自然降雪的流动成像，视野跨越流入和近尾流。涡相干结构的直径为1米的顺序确定和特点的流动接近一个2.5兆瓦的风力机在该地区跨越底部叶片尖端高程轮毂高度。评估了它们对涡轮机结构载荷、发电量和尾流特性的影响。长的相干结构包（大于200 m）会增加涡轮机支撑塔上的波动应力。大的流入涡流与涡轮叶片相互作用，导致偏离预期的发电量。这些偏差的符号与涡流的旋转方向有关，与叶片上的环流方向相同的旋转导致功率过剩，相反的旋转导致功率不足。功率不足的时期与尾流收缩事件相一致。这些发现突出了在进行涡轮机设计和选址决策时考虑相干结构特性的重要性。
2021-10-12 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Leading effect for wind turbine wake models
随着风能在全球范围内的扩张，对可靠、快速、经济高效的风力机尾流模型的需求也在增长。这是一个重大挑战，因为风力机面临各种流入条件，包括湍流、不均匀性/不稳定性和上游尾流。因此，大量的工程模型，每一个基于不同的物理概念，已被提出。大多数研究集中在远尾流，在远尾流中，平均速度恢复，湍流在建立后衰减。我们认为，最重要的，或领先的，尾流建模的参数是虚拟原点的长度尺度。从实验室风力机和激光雷达获得的多兆瓦涡轮机的数据集的文献测试不同的模型，我们发现，所有的模型表现得更好，当这样的虚拟原点被添加。因此，我们的研究结果可以用于一个尚未失踪的近尾流区的定义。
2022-09-11 physics.flu-dyn
Replacing wakes with streaks in wind turbine arrays
风力机尾流对风力发电场中的顺风涡轮机产生负面影响，降低了它们的整体效率。通过对偏航角和诱导因子的致动控制来减少尾流-涡轮相互作用是一个活跃的研究领域。在这项研究中，展向周期性的风力机阵列与倾斜的转子，以减少负涡轮机尾流相互作用的能力进行了研究的大涡模拟。结果表明，通过转子倾斜，可以用高速条纹代替涡轮远尾流，其中流向速度超过轮毂高度处的自由落体速度。考虑三个对齐的风力机阵列，发现可以通过倾斜逆风涡轮机阵列的转子来增加从风中提取的总功率，类似于对于单排对齐的涡轮机的情况已知的那样。它进一步表明，全球倾斜引起的功率增益可以显着增加操作倾斜涡轮机在更高的感应率。通过增加转子直径和涡轮间距与边界层厚度的比率，可以进一步增加功率增益。所有这些研究结果与以前的研究结果是一致的，在这些研究中，为了控制典型的边界层以达到减阻的目的，流向条纹是通过安装在墙上的粗糙度元件阵列人为地强制形成的。
2020-08-13 physics.flu-dyn
Similarity of wake characteristics for yawed wind turbines of utility-scale
本研究采用大涡模拟，将涡轮机叶片和机舱参数化为致动器表面，研究偏航角对2.5 MW大型风力机尾流特性的影响。模拟了四种不同的偏航角，即，$γ=0^{\circ},10^{\circ},20^{\circ},30^{\circ}$用于三种不同的叶尖速比$λ= 7,8,9$。涡轮机尾流的时间平均速度场和湍流统计数据具有相似性。具体地说，它被发现，尾流偏转的时间平均值，速度赤字和横向速度，雷诺应力，和尾流宽度定义的速度赤字，可以适当地缩放使用的特征长度和速度尺度取决于转子上的推力和偏航角。另一方面，受横向速度影响的区域的宽度、瞬时尾流位置的PDF以及尾流位置和尾流宽度的标准偏差，使用与偏航角和叶尖速度比无关的转子直径进行了很好的缩放。这些结果表明，偏航风力机的尾流可以分解为流向分量和横向分量，涡轮附加湍流和尾流的曲折运动可以与所考虑的情况下的尾流偏转解耦。
2020-11-17 physics.flu-dyn
On the wake meandering of a model wind turbine operating in two different regimes
采用风洞实验和大涡模拟研究了模型风力机在两种工况下的绕流特性。模型风力机实验的测量结果表明，功率系数和涡轮机尾流受运行状态的影响。模拟采用一类新的执行器表面的方法，参数化的涡轮叶片和机舱与和没有机舱模型进行了每一个操作条件，研究的影响，操作制度和机舱。对于采用短舱模型的模拟，平均流场由外部尾流（由涡轮机叶片从来风中提取能量引起）和短舱正后方的内部尾流组成，而对于没有短舱模型的模拟，尾流的中心区域被射流占据。采用短舱模型的模拟显示了一个不稳定的螺旋形轮毂涡向外扩展到外尾流;而不采用短舱模型的模拟显示了一个稳定的圆柱形轮毂涡。在区域3中运行的涡轮机的轮毂涡流保持紧密的螺旋形，并且与在区域2中运行的涡轮机相比，在下游更远的几个直径处拦截外尾流。对于所有模拟，尾流蜿蜒在高湍流强度区域开始，表明短舱模型和不稳定轮毂涡流都不是尾流蜿蜒的必要条件。然而，使用滤波技术和动态模式分解对尾流弯曲的进一步分析表明，不稳定的轮毂涡激发了尾流弯曲。涡轮机运行状态影响轮毂涡流的形状和膨胀，从而改变尾流弯曲的起始位置及其振荡强度。不稳定的轮毂涡流促进了能量弯曲，如果没有短舱模型，则无法预测能量弯曲。
2018-02-11 physics.flu-dyn
Wake steering of multirotor wind turbines
在本文中，尾流转向应用于多转子涡轮机，以确定它是否有可能减少风力发电厂尾流损失。通过将转子偏航应用于多转子涡轮机，将新的自由度引入风电场控制，使得尾流可以扩展、引导或重定向，以改善下游涡轮机的流入条件。通过采用大涡模拟（LES）对五种不同的偏航配置进行了研究（包括基线情况），以生成多转子风力机顺风方向速度场的详细表示。两个较低的保真度模型从单转子偏航研究（卷曲尾流模型和解析高斯尾流模型）扩展到多转子的情况下，他们的结果与LES数据进行了比较。对于每个模型，主要通过检查不同顺风距离处的尾流截面来分析尾流。进一步的定量分析是通过表征尾流的质心和宽度的范围内流向的位置，并通过简要分析的功率产生。最重要的是，它表明，转子偏航可以有相当大的影响的分布和规模的尾流速度赤字，导致下游涡轮机的功率增益。较低保真度模型显示出与特定配置的LES结果的小偏差;然而，两者都能够合理地捕获大流向范围内的尾流趋势。
2021-02-16 physics.flu-dyn
Investigation of the near-wake behaviour of a utility-scale wind turbine
采用超大尺度粒子图像测速技术和自然降雪流场可视化技术，对2.5 MW风力机近尾流场进行了多组数据采集和分析。每个数据集从不同的角度捕捉尾流的整个垂直跨度。这些数据集共同组成了近尾流的三维图像，包括塔架和轮毂的影响以及响应涡轮机运行变化的瞬时尾流膨胀变化。在轮毂正后方观察到一个高速流动区域，而在塔架后方观察到一个低速流动区域。此外，轮毂在其尾流中产生增强的湍流区域，而塔架减少地面附近的湍流，因为它打破了边界层中的湍流结构。对瞬时尾流行为的分析揭示了尾流膨胀的变化，甚至尾流收缩的周期，这些变化是响应于迎角和叶片桨距梯度的变化而发生的。发现这种行为取决于涡轮机的操作区域。这些发现可以被纳入尾流模型和先进的控制算法，用于风电场优化，并可用于验证风力机尾流模拟。
2019-08-07 physics.flu-dyn
Effect of tip speed ratio on multiscale coherent dynamics in the near wake of a model wind turbine
采用粒子图像测速技术（PIV）对小型风力机在不同叶尖速比（$λ$）下的近尾迹流场进行了实验研究。风力机模型有一个机舱和一个塔，模仿真实比例的风力机。发现近尾流由多个相干结构主导，包括叶尖涡、机舱和塔的明显涡脱落以及尾流蜿蜒。发现叶尖涡的合并强烈依赖于$λ$。定义了与螺旋涡流节距相关的对流长度尺度（$L_c$），该尺度比涡轮直径（$D$）更适合区分近尾流和远尾流。塔架通过破坏叶尖涡的稳定性和促进下部（短舱下方）平面的混合，在气流中引起强烈的垂直不对称性。发现短舱脱落在“播种”尾流曲折中很重要，虽然这种曲折不是很强，但存在于短舱附近，并且只有在下游一定距离后（$x>3L_c$）才变得重要。涡轮机的“有效孔隙率”和$λ$之间建立了联系，发现尾流弯曲的强度和频率取决于$λ$。事实上，观察到随$λ$的尾流弯曲频率的下降趋势，类似于在不同孔隙率下从多孔盘的旋涡脱落。这种相似性支持尾流弯曲是涡轮机的整体不稳定性的概念，其可以被认为是直径为$D$的“多孔”钝体。
2023-02-25 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
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
Onset of wake meandering for a floating offshore wind turbine under side-to-side motion
风力机的尾流是对流不稳定的，可能会表现为上游扰动的放大器，并使下游涡轮机经历强烈的流入波动。在这项工作中，我们调查的影响，侧到侧运动的浮动海上风力机（FOWT）的尾流动力学使用大涡模拟和线性稳定性分析（LSA）的NREL 5兆瓦基线海上风力机。模拟结果表明，涡轮机运动可导致具有Strouhal数$St = fD/U_\infty \in (0.2,0.6)$（其中$f$是运动频率，$D$是转子直径，$U_\infty$是来流风速）的运动频率的尾流弯曲，该频率位于常见FOWT设计的自然滚转频率范围内。这补充了现有的尾流蜿蜒机制，即FOWT的侧向运动可以是尾流蜿蜒开始的新起源。对于最不稳定的频率，诱导尾流弯曲的幅度可以比初始扰动高一个数量级。观察到瞬时尾流中心展向位置的概率密度函数在时间平均尾流边界上有两个峰值，在时间平均尾流中心线附近有一个波谷。它也被发现，LSA可以预测最不稳定的频率和放大因子与可接受的精度为运动幅度$0.01D$。当运动幅度增加到$0.04D$时，观察到非线性效应，此时最不稳定的涡轮机振荡略微移向较低频率，放大系数减小。
2021-07-29 physics.flu-dyn
Time-varying wind-turbine wakes at high Reynolds numbers
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Queen’s University（女王大学）
研究高雷诺数下风力发电机尾流的时变特性，探讨时变扰动对尾流动力学的影响，发现尾流扰动以尾流速度非线性传播，需通过拉格朗日变换考虑尾流运动以实现准稳态描述。
2026-03-20 physics.flu-dyn
Performance and wake characteristics of tidal turbines in an infinitely large array
大型阵列中潮汐流涡轮机的效率取决于涡轮机尾流相互作用的负面影响和由于局部阻塞而导致的旁路流加速的正面影响之间的平衡，这两者都是涡轮机布局的函数。在这里，我们调查的流体动力学的涡轮机在一个无限大的阵列对齐或交错布局的范围内流向和横向涡轮机间距。首先，我们提出了一个理论分析的基础上的线性动量致动器盘理论（LMADT）的扩展完美对齐和交错布局，采用混合无粘-粘性的方法来考虑每个涡轮机排内的局部阻塞效应和粘性（湍流）尾流混合后，每排在一个耦合的方式。本文采用周期性边界条件的激励线法，对28个潮汐能电站的明渠流场进行了大涡模拟。理论和LES的结果表明，涡轮机的效率（或涡轮机的功率为一个给定的体积速度）在一个对齐的阵列减少，因为我们减少流向间距，而在交错阵列保持高，甚至可能会增加，由于积极的局部阻塞效应（导致当地的流动速度上游的每个涡轮机超过体积速度），如果横向涡轮机间距足够小。大涡模拟结果进一步揭示了尾流弯曲的幅度随着横向间距的减小而减小，这导致近尾流区的尾流恢复率降低。这些结果将有助于理解和提高效率的潮汐涡轮机在未来的大型阵列，即使真正的潮汐阵列的性能可能不仅取决于涡轮机到涡轮机的相互作用，但也对宏观尺度的阵列和自然潮流之间的相互作用，后者是本研究的范围之外。
2021-01-11 physics.flu-dyn
Near Wake Dynamics of a Cross-Flow Turbine Array
本研究针对横流涡轮阵列的近尾迹动力学问题，通过实验表征了并排双涡轮阵列在同向、两种反向旋转及不同相位差下的性能与尾迹，发现效率和尾流场受旋转方向与相位差影响显著，并提出了相邻涡轮相互作用的相关假设。
2025-06-16 physics.flu-dyn
A vortex sheet based analytical model of the curled wake behind yawed wind turbines
出于对偏航风力机后非经典尾流演变的紧凑描述的需要，我们开发了一个分析模型来预测卷曲尾流的形状。由于尾流转向作为减轻风电场下游涡轮机功率降低和不稳定负载的策略的潜力，对这种建模产生了兴趣。我们首先估计由于偏航偏移和旋转叶片引起的尾流边缘脱落涡量的分布。通过将尾流边缘视为理想薄涡面，我们描述了它随流动随时间的演化。采用幂级数展开法求解涡面方程，得到了尾流形状的近似解。涡面的时间演变，然后映射到一个空间的演变，通过使用对流速度。除了尾流形状外，还模拟了包括地面效应的尾流横向偏转。我们的结果表明，存在一个通用的解决方案，卷曲尾流的形状，如果采用合适的无量纲变量。对于湍流边界层入流的情况，包括了由于湍流扩散引起的涡面环流的衰减。最后，我们通过加入预测的卷曲尾流的形状和偏转来修正高斯尾流模型，从而可以计算偏航涡轮后的尾流剖面。针对各种运行条件下的涡轮机，通过大涡模拟和实验室实验验证了模型预测。
2021-09-30 physics.flu-dyn
Inter-turbine spacing and flow unsteadiness effects on wake-induced blade dynamics
Imperial College London（帝国理工学院）
该研究通过风洞试验探究涡轮机间距与流动非定常性对尾流诱导叶片动力学的影响，发现部分尾流重叠工况的能量产出与结构载荷权衡最不利，为风电场布局设计提供依据。
2026-08-20 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
The influence of freestream turbulence on the development of a wind turbine wake
本文通过实验研究自由流湍流强度和积分时间尺度对风力机尾流演化的影响，发现高湍流强度低积分时间尺度加速尾流演化，而高积分时间尺度因剪切层和螺旋涡系稳定性延迟演化，并揭示了尾流恢复速率与中心线雷诺剪切应力及功率提取的关系。
2022-09-14 physics.flu-dyn
Validation of the dynamic wake meandering model against large eddy simulation for horizontal and vertical steering of wind turbine wakes
本研究验证了动态尾流蜿蜒模型与大涡模拟在风力涡轮机尾流偏转预测中的一致性，发现DWM在时间平均尾流预测上表现优异，并揭示了其对极坐标网格尺寸的敏感性及偏航偏转对下游功率的显著提升。
2023-08-02 physics.flu-dyn
Mechanisms of dynamic near-wake modulation of a utility-scale wind turbine
目前的研究使用大涡模拟来研究公用事业规模的风力机尾流在大气和运行条件下的动态变化的瞬态响应，如在以前的现场规模测量中所观察到的。大多数风力机尾流研究假设准稳态条件，但实际的风力机在高度随机的大气中操作，并且它们的操作（例如，叶片俯仰角、偏航角）作为响应而不断变化。此外，最近已经提出了动态控制策略来优化风电场发电和寿命。因此，提高对动态尾流行为的理解是至关重要的。首先，叶片桨距的变化进行了研究，发现尾流膨胀响应显示滞后作为流动惯性的结果。对不同俯仰角速度的尾流响应的时间尺度进行了量化。接下来，探索风向随不同时间尺度的变化。在短时间尺度下，尾流偏转的方向与准定常条件下观察到的方向相反。最后，偏航变化以不同的速率实现，最大逆尾流偏转和时标被量化，显示出对偏航率的明显依赖。为了进一步物理理解反向尾流偏转背后的机制，对尾流不同部分的流向涡量进行了量化。研究结果为先进尾流控制算法的设计提供了指导。观察到的叶片桨距和偏航变化的尾流响应滞后表明，所提出的动态控制策略必须以转子时间尺度或更慢的时间尺度实施涡轮机操作变化。
2021-08-04 physics.flu-dyn
Modeling the near-wake of a vertical-axis cross-flow turbine with 2-D and 3-D RANS
采用二维和三维的叶片分辨$k$ - $ω$ SST和Spalart-Allmaras RANS模型对垂直轴双击式水轮机（CFT）的近尾迹进行了数值模拟。将每种情况下的结果与涡轮机轴功率、总阻力、平均速度、湍流动能和下游一个直径处近尾流中的动量传输项的实验测量值进行比较。结果表明，2-D模拟高估了涡轮负载，并没有解决平均垂直动量传输，这在近尾流的动量平衡中起着重要的作用。3D模拟在预测性能方面表现更好，Spalart-Allmaras模型预测最接近实验。SST模型更准确地预测了湍流动能，而Spalart-Allmaras模型更接近地匹配了近尾流中的动量输运项。这些结果显示了叶片分辨RANS作为设计工具和“外推”实验流场测量的方法的潜力。
2016-05-06 physics.flu-dyn
Simulations of an offshore wind farm using large eddy simulation and a torque-controlled actuator disc model
我们在这里提出了一个计算流体动力学（CFD）模拟Lillgrund海上风电场，这是位于瑞典和丹麦之间的厄勒海峡。该模拟结合了嵌入在大涡模拟CFD求解器中的风力机的动态表示，并使用hr自适应网格化来增加或减少网格分辨率（如需要）。这允许解析风电场周围的大规模流动结构和单个涡轮机处的局部流动条件;因此，可以对每个涡轮机对局部条件的响应以及涡轮机尾流的最终演变进行建模。本文详细描述了涡轮机模型，该模型通过计算转子上的力、空气上的体积力和瞬时功率输出来模拟风力、涡轮机转子和涡轮发电机之间的相互作用。该模型用于研究选择的关键风速和风向，研究一排涡轮机与风对齐或与风成特定角度的情况。显示的结果包括涡轮机旋转的演示，通过涡轮机阵列移动的涡流的观察，蜿蜒的涡轮机尾流，以及一个广泛的风力发电场尾流几公里长。可用于与运行风电场数据进行交叉验证的关键测量是单个涡轮机的功率输出，其中非稳态涡轮机尾流对下游涡轮机性能的影响是一个关注点。模拟结果与实际风电场的性能测量结果进行了比较，以提供对该方法的可靠定量验证。在模型和实际风电场测量之间取得了良好的一致性后，概述了该方法为进一步研究工程和大气科学问题提供工具的潜力。
2014-12-13 physics.ao-ph physics.flu-dyn
An extended analytical wake model and applications to yawed wind turbines in atmospheric boundary layers with different levels of stratification and veer
本研究针对现有解析尾流模型忽略浮力与科里奥利力效应的问题，结合大气边界层垂直结构解析表示、涡片偏航尾流模型及新的尾流扩展率预测方法，构建了考虑热分层和风转向的偏航风力涡轮机尾流模型，经LES验证吻合度高，显著提升了强稳定分层下尾流功率损耗预测精度。
2024-12-15 physics.flu-dyn
A short note on turbulence characteristics in wind-turbine wakes
本研究针对文献中误用Crespo-Hernandez风力机附加湍流公式的问题，对比原始与错误公式在高斯尾流模型中的表现，发现错误公式会导致尾流湍流强度和功率预测出现不可忽视的偏差，且低环境湍流下偏差更大。
2023-07-06 physics.flu-dyn
Resolvent analysis for predicting energetic structures in the far wake of a wind turbine
本研究针对风力机远尾流高能流动结构预测问题，采用预解式分析方法，结合谱本征正交分解验证，揭示了对流不稳定性和奥尔机制的作用，证明该方法可与工程尾流模型结合，为尾流建模和风电场性能评估提供有效工具。
2024-01-27 physics.flu-dyn
A comparison of h- and p-refinement to capture wind turbine wakes
本文比较了h-和p-refinement两种网格细化策略在准确计算风力涡轮机尾流发展方面的能力，评估了其有效性与计算效率，为使用高阶h/p方法优化风电场提供了指导。
2024-09-25 physics.flu-dyn
Symbolic Regression-Enhanced Dynamic Wake Meandering: Fast and Physically Consistent Wind-Turbine Wake Modeling
针对风力涡轮机尾迹建模中DWM模型近尾迹精度不足的问题，提出符号回归增强的SRDWM框架，结合LES数据与领域知识发现物理一致的闭合表达式，提升预测精度且速度远超LES。
2025-06-17 physics.flu-dyn
Coriolis effects on wind turbine wakes across atmospheric boundary layer regimes
本文通过大涡模拟研究科里奥利效应对风力机尾流的影响，发现其对尾流恢复影响小但导致显著偏转，高罗斯比数下顺时针，低罗斯比数下逆时针，且偏转量与17°偏航失准相当。
2024-03-18 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
Cross-correlating blade--wake dynamics for a model wind turbine
Imperial College London（帝国理工学院）
研究风力涡轮机叶片与尾涡相互作用的动力学，探讨切向速度比λ在不同自由流湍流条件下的作用，通过实验分析流-结构相互作用，揭示叶片应变动态与λ的关系及尾涡对叶片载荷的影响。
2026-05-11 physics.flu-dyn
Wind-turbine wake effects on the rate of accumulation of fatigue damage in overhead conductors
Imperial College London（帝国理工学院）
研究发现，在森林大气条件下，导线与风力涡轮机间距可小于3D，前提是导线未完全浸入涡流中。
2026-01-24 physics.flu-dyn
Effect of turbine nacelle and tower on the near wake of a utility-scale wind turbine
利用自然降雪条件下的超大尺度粒子图像测速技术（SLPIV），在EOLOS观测站研究了短舱和塔架产生的流场结构对2.5 MW风力机近场尾迹的影响。该分析基于2017年3月12日在现场活动中收集的数据，样本面积为125 m（垂直）x 70 m（流向），以涡轮机支撑塔后面的平面为中心。SLPIV测量提供了整个转子跨度上的速度场，揭示了由于叶根处轴向感应的减少而引起的轮毂周围的加速流区域。面内湍流动能场显示，在叶尖和轮毂后面的大剪切区域中湍流增加，而在塔后面的湍流减少，在塔后面，边界层中的大尺度湍流结构被破坏。雪洞揭示了从叶片、机舱和塔架脱落的连贯结构。轮毂尾流曲折频率被量化，并发现对应于艾哈迈德体的旋涡脱落频率（St=0.06）。观察到持续的轮毂尾流偏转，并表明与涡轮偏航误差有关。在轮毂下方区域，观察到塔架和叶片生成结构之间的强相互作用。这种相互作用的时间特性通过两个主频率的共存来量化，一个主频率对应于叶片通过频率处的叶片涡脱落，另一个主频率对应于St=0.2处的塔涡脱落。这项研究突出了塔和机舱对近尾流行为的影响，为模型开发提供了信息，并阐明了影响尾流演变的机制。
2019-03-07 physics.flu-dyn
Performance and near-wake characterization of a tidal current turbine in elevated levels of free stream turbulence
潮汐涡轮机被部署在具有高水平的自由流湍流（FST）的场所中。从设计的角度来看，考虑其操作的FST升高变得至关重要。采用自主研制的主动网格湍流发生器，在高架流场中对潮汐水轮机模型近尾迹进行了详细的实验测量，并研究了湍流强度（Ti）和来流积分长度尺度（L）对近尾迹的影响。测试了三种流入条件：Ti ~ 2.2%的准层流和两种Ti升高（~12-14%）的情况，一种情况为L ~ 0.4D（D是涡轮机直径），另一种情况为L~ D。发现升高的钛情况下，转子扭矩的标准偏差增加了4.5倍的准层流中的值。能量回收也被发现加速;在X/D=4时，流入能量回收的百分比为37%，是准层流中相应值的两倍。观察到升高的FST会破坏尾流的旋转特性;涡流数的下降范围在X/D=0.5时的12%到X/D=4时的71%之间。升高的Ti还导致L比准层流情况大得多（> 2倍）。观察到流入积分长度尺度的增加（从0.4D到D）导致尾流Ti、尾流结构和各向异性增强;然而，未发现对尾流恢复率的明显影响。
2019-07-18 physics.flu-dyn
Turbulence-resolving simulations of wind turbine wakes
采用高阶流动求解器结合标准和新型动态隐式谱消失粘度（iSVV和动态iSVV）模型对风力机尾流进行湍流解析模拟，以考虑亚网格尺度（SGS）应力。数值解与风洞测量结果进行了比较，其中包括平均速度和湍流强度剖面，以及积分转子量，如功率和推力系数。对于标准（也称为静态）的情况下，光谱消失粘度的大小是通过尾流统计的启发式分析来选择的，而在动态模型的情况下，大小在每个时间步长在空间和时间上都进行了调整。这项研究的重点是检查两种方法，标准（静态）和动态的能力，准确地捕捉尾流特征，定性和定量。结果表明，静态方法可以成为过度耗散时，增加的频谱粘度的大小，而动态的方法，调整本地耗散的大小被证明是更适合于非均匀流，如风力机尾流。
2018-04-20 physics.flu-dyn
Effect of Gaussian wake amplitude on wake-induced transition for a T106A low pressure turbine cascade
本文通过二维隐式大涡模拟研究高斯尾迹振幅对T106A低压涡轮叶片尾迹诱导转捩的影响，发现增大振幅可延迟分离、促进再附着并降低摩擦阻力，同时揭示了平静区抑制分离及能量收支的变化规律。
2024-11-19 physics.flu-dyn
Maximizing wind farm power output with the helix approach -- experimental validation and wake analysis using tomographic PIV
本研究通过风洞实验和层析PIV验证了螺旋方法通过诱导尾流蜿蜒和增强叶尖涡破裂来促进尾流恢复，从而将双机组联合功率提升15%。
2023-06-22 physics.flu-dyn
Wake dynamics of wind turbines in unsteady streamwise flow conditions
本研究针对周期性上游流入条件下风力涡轮机非定常尾流的主导流动机制展开，推导了描述尾流半径和流向速度行波波动的理论框架，通过拖曳水池实验验证了模型有效性，并发现尾流恢复显著增强，为风电场功率密度提升提供了理论与实验依据。
2024-06-17 physics.flu-dyn
Snow-powered Research on Utility-scale Wind Turbine Flows
本文提供了一个审查的一般实验方法的雪动力流动可视化和超大规模粒子成像测速（SLPIV），相应的现场部署和主要的科学发现，从我们的工作在Eolos现场站的2.5兆瓦的公用事业规模的风力机。通过现场测量，从不同角度研究了诱导区来流和近尾迹流。已经表明，这些雪动力测量可以提供足够的时空分辨率和视场，以定性和定量地表征进入流、涡轮机产生的所有主要相干结构（例如，叶片、机舱和塔架涡流等）以及这些结构在近尾流中的发展和相互作用。我们的工作进一步揭示了近尾流的几个有趣的行为（例如，尾流收缩、动态尾流调制以及短舱尾流的曲折和偏转等），以及它们与不断变化的流入和涡轮机操作的联系，这与公用事业规模的涡轮机独特地相关。这些研究结果表明，近尾流虽然非常复杂，但可以使用SCADA和当前公用事业规模涡轮机的结构响应信息进行大量统计置信度预测。这些知识可以潜在地结合到尾流发展模型和涡轮机控制器中，用于将来的风电场优化。
2019-08-31 physics.app-ph 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
Analytical modelling of wind-turbine wake turbulence in neutral atmospheric boundary layers
IFP Energies nouvelles（IFP能源新动力）；Durham University（杜伦大学）
本文提出一种新的尾涡附加湍流强度模型，基于TKE和流体方向雷诺应力预算，结合经典RANS假设和远尾涡近似，实现简单实用且与LES和风洞实验一致的风场建模工具。
2026-04-30 physics.flu-dyn
Modeling of turbulence kinetic energy added by wind-turbine wakes in the atmospheric boundary layer
State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University（新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学）
提出一种基于LES的风力涡轮机尾涡增加TKE预测模型，通过径向平均和地面效应修正实现高精度空间分布预测，验证结果显示其在不同条件下具有高鲁棒性。
2025-11-25 physics.flu-dyn
Self-consistent model for active control of wind turbine wakes
该研究提出一种仅需两个输入、结合求解器与涡粘性建模的自洽尾流模型，可端到端预测主动尾流控制对尾流恢复的增强效果，误差小于8%且计算时间从数千CPU小时降至分钟级。
2025-05-19 physics.flu-dyn
Classifying regions of high model error within a data-driven RANS closure: Application to wind turbine wakes
当LES参考数据可用时，数据驱动的雷诺平均纳维尔-斯托克斯（RANS）湍流闭合越来越被视为通用RANS闭合的可行替代方案-也适用于风能。带有少量简单项的简约闭包在稳定性、可解释性和执行速度方面具有优势。然而，经验表明，闭合模型校正只需要在有限的区域进行，例如，在风力机的近尾流中，而不是在大部分气流中。因此，一个吝啬的模型必须在尾流的精确修正和其他地方的零修正之间找到一个中间地带。我们试图通过引入分类器来识别需要校正的区域来解决这个僵局，并且只在那里拟合和应用我们的模型校正。我们观察到，这样的分类器（必须只从RANS可用的量计算）是简单的构造，并在操作中准确。我们进一步观察到，当仅限于所识别的区域时，校正模型比其他情况明显更简单（具有更少的项），但具有相似或更好的准确性。我们将我们的框架，以三个流组成的多个风力涡轮机在中性条件下相互作用的唤醒。
2021-06-29 physics.flu-dyn
Scaling Analysis of the Swirling Wake of a Porous Disc: Application to Wind Turbines
本文通过可被动调节旋流强度的改进多孔盘实验，推导并验证了旋流主导近尾流的新标度律，证明旋流是复现风力机平均尾流的关键初始条件。
2024-06-12 physics.flu-dyn
The Stability of Wakes of Floating Wind Turbines
浮式海上风力机（FOWT）经受由风和波浪载荷引起的平台运动。振荡运动触发涡流不稳定性，改变尾流结构，影响到达下游风力机的气流。在这项工作中，通过数值模拟和与线性稳定性理论的比较，分析了FOWT的尾流。两个简化模型的基础上的稳定性的旋涡开发的所有自由度的涡轮机运动。在我们的数值模拟中，风力机叶片被建模为致动器线和低色散和耗散的谱元方法被用来研究扰动的演变。涡轮机运动激发了由螺旋涡的线性稳定性预测的涡不稳定模式。在非线性状态下形成的流动结构是这些模式增长的结果，并且保留了一些可以由线性理论解释和预测的特征。相互作用的涡的数量和扰动的增长率很好地预测了一个简单的稳定性模型的二维行涡。对于所有类型的运动，当运动频率是涡轮机旋转频率的一个半时，观察到最高的增长率;这引起了异相涡配对机制。对于较低的运动频率，几个涡流合并形成大的流动结构，这会导致流向速度的高振幅振荡，这可能会增加下游涡轮机的疲劳或引起高振幅运动。
2022-06-09 physics.flu-dyn
Wake-induced variations in noise levels and amplitude modulation for two interacting wind turbines
Ecole Centrale de Lyon, CNRS, Universite Claude Bernard Lyon 1, INSA Lyon, LMFA,UMR5509（里昂中央理工学院）；University of Twente（特文特大学）
研究风力涡轮机相互作用对声传播的影响，通过数值模拟分析三种布局：下游对齐、并列和错开排列，发现下游涡流增强噪声和振幅调制，而并列和错开布局中噪声增加有限，振幅调制减少。
2026-04-14 physics.flu-dyn
Strongly-coupled aeroelastic free-vortex wake framework for floating offshore wind turbine rotors. Part 2: Application
这篇由两部分组成的论文介绍了自由涡尾流方法（FVM）与气动弹性框架的集成，该框架适用于模拟运行中漂浮式海上风力机（FOWT）转子产生的转子-尾流相互作用。本文的第一部分介绍了气动弹性框架的数值开发和验证。由于缺乏FOWT的实验气动弹性基准，针对国家可再生能源实验室（NREL）5-MW参考风力机的转子气动和结构性能进行了一系列验证研究。本文的第二部分着重于建模和仿真FOWT的不同气动弹性工作条件。当前框架的数值结果一致地捕获了波诱导俯仰FOWT的气动转子性能，例如功率、推力和扭矩。此外，所提出的气动弹性框架产生额外的信息，功率，推力和扭矩波动，由于异相叶片通过频率和相应的叶片偏转。所提出的框架的保真度表明，第一次，一个基于有限体积法的气动弹性方法能够进行调查的转子尾流相互作用和相关的气动弹性现象的FOWT。
2019-10-21 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
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
Vortex-Stretching based Large Eddy Simulation Framework for Wind Farms
在大型风电场中，风力涡轮机后面的尾流分布导致下游风力机的风速显著降低，从而导致大量的功率损失。因此，对风力机尾流进行有效的预测是非常重要的。因此，我们提出了一个大涡模拟（LES）方法，它采取涡量拉伸模型瞬态风力机尾流。此外，我们提出了一个改进的致动器盘模型，该模型考虑了大气和尾流之间的双向反馈。首先，我们表明，与新模型预测的平均风的垂直廓线有一个很好的协议与实验测量。接下来，我们验证预测的雷诺应力对风洞数据，并表明，分散应力约占40%的雷诺应力。最后，我们表明，所提出的LES方法准确地预测特性的风力机唤醒。比较LES的结果与以前报道的数据，我们发现，新的LES框架准确地预测在近尾流和远尾流区域的流量统计。
2022-05-03 physics.flu-dyn
Optimal Control for Wind Turbine Wake Mixing on Floating Platforms
动态感应控制是一种风电场流量控制策略，其利用风力涡轮机推力变化来加速空气动力学尾流的分解并改善下游涡轮机性能。然而，当考虑浮动式风力涡轮机时，出现了使最优控制困难的附加动力学和挑战。在这项工作中，我们提出了一个伴随优化框架的非线性经济模型预测控制，它利用了一种新的耦合现有的气动尾流模型浮动平台流体动力学。耦合模型的频率响应分析表明，在不引起转子大幅度运动的情况下实现风力涡轮机推力变化是可能的。使用经济的模型预测控制，我们发现动态感应结果，导致7%的改进静态感应控制，其中动态控制器刺激唤醒故障只有很小的变化，转子位移。这种新的模型制定提供了一个起点，为浮动风力涡轮机的动态风电场流量控制策略的适应。
2023-03-27 cs.SY eess.SY math.OC
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
The effect of tip-speed ratio and free-stream turbulence on the coupled wind turbine blade/wake dynamics
Department of Aeronautics, Imperial College London（帝国理工学院 aeronautics 系）
研究叶尖速比和自由流湍流对风力机叶片与尾流耦合动力学的影响，通过实验揭示气动应变波动与尾流结构的频率耦合关系。
2025-11-26 physics.flu-dyn
Large eddy simulation of a utility-scale vertical-axis marine hydrokinetic turbine under live-bed conditions
该研究通过耦合大涡模拟与河床形态动力学，探究泥沙动力学对实用级垂直轴海洋水动力涡轮尾流特性及发电的影响，揭示了叶尖速比与河床变形的作用机制，为涡轮部署提供物理依据。
2025-03-28 physics.flu-dyn
