Wind Turbine Generated Power Enhancement by Plasma Actuator
在这里，我们已经研究了使用介质阻挡放电（DBD）等离子体激励器，以改善海上6兆瓦风力机的空气动力学性能。通过控制不同叶片截面处的空气动力学载荷，提高了总发电功率和叶片载荷。将叶片分为七个段，并将分析应用于每个段。为了研究结构和位置的影响，致动器安装在单个或串联结构中，分布在跨度的46%和56%之间，在不同的弦向位置。采用改进的唯象模型模拟了静电场、电离粒子和流体的相互作用。利用数值模拟得到的各截面的气动力系数，估算了发电功率。我们研究了单个和串联致动器的位置和配置如何将发电功率提高到95 kW。此外，我们研究了使用集体俯仰角的可能性。结果表明，当总俯仰角为10度时，在风速为6和10 m/s时，可以分别多收获10.03%或11.42%的能量。在研究的七个案例中，靠近前缘的执行器比其他执行器表现得更好。
2022-03-21 physics.flu-dyn
Wind Turbine Large-Eddy Simulations on Very Coarse Grid Resolutions using an Actuator Line Model
在这项工作中，在非常粗的空间分辨率的特定条件下，研究了风力机流动大涡模拟中致动器线模型（ALM）的准确性。对于精细分辨的条件，已知的是，与没有旋转的标准致动器盘模型（ADM）相比，ALM提供更好的精度。然而，我们在这里表明，在非常粗糙的分辨率，在转子尺度上发生的流动诱导可能会影响预测的流入角，并可能对ALM预测产生不利影响。我们首先提供了一个粗糙LES再现风洞测量的例子。由此产生的流量预测是好的，但在预测功率输出的挑战，从详细的ALM激励均匀流入的情况下进行更详细的分析。我们提出了一个理论框架，比较过滤后的量，进入大涡模拟方程的体积力与过滤和未过滤的量之间的比例关系。该研究旨在将理论推导应用于仿真框架，并改进ALM的当前结果，特别是在观察到最大差异的近尾流中。
2016-05-10 physics.flu-dyn
Actuator line modeling of vertical-axis turbines
为了弥合垂直轴（或横流）涡轮（VAT或CFTs）的高保真度和低保真度数值建模工具之间的差距，针对转子直径雷诺数$Re_D \sim 10^6$下的高稠度和中等稠度垂直轴涡轮，开发并验证了致动器线模型（ALM）。ALM是经典叶素理论和基于Navier-Stokes流模型的组合，在本研究中，使用开源OpenFOAM计算流体动力学框架测试了$k$- $ε$雷诺平均Navier-Stokes（RANS）和Smagorinsky大涡模拟（LES）湍流模型。RANS模型能够在粗网格上运行，同时在平均功率系数方面仍然提供良好的收敛行为，并且与3-D叶片分辨RANS模拟相比，计算费用降低了大约四个数量级。实现了动态失速、端部效应、附加质量和流动曲率的子模型，从而对高稠度转子进行了合理的性能预测，对中等稠度转子进行了更多的差异预测，并对高叶尖速比下的两种情况进行了过度预测。尾流结果表明，ALM能够捕捉到一些重要的流动特征，有助于增值税的相对较快的尾流恢复-一个很大的改进，比传统的致动器盘模型。LES能更好地实现平均流场，与3-D叶片分辨RANS相比，LES仍能节省两个数量级的计算量，但涡破裂和随后的湍流生成似乎预测不足，这需要进一步研究最佳亚网格尺度建模。
2018-09-22 physics.flu-dyn
Aerodynamic characterization of two tandem wind turbines under yaw misalignment control using actuator line model
偏航控制已被证明是有前途的，在减轻困扰风力发电场的效率的尾流效应。本文采用作动器线模型（ALM）方法模拟了两个串列涡轮的绕流，两个串列涡轮相距$3 - 7$转子直径，上游转子的偏航角从$γ_1=0^{\circ}$变化到$50^{\circ}$。其目的是提供一个全面的空气动力学特性的一个简单的风力发电场偏航失准。随着偏航角的增加，下游转子产生的功率增加，补偿了上游转子的功率损失，使得两个涡轮机的总功率比没有偏航控制的情况下更高。当偏航转子的上游尾流改变方向远离下游转子平面时，可实现最大功率输出。在下游转子后面，观察到二次转向现象，其中尾流也从中心线重定向。作动器线模型的使用还揭示了低保真度模型不能捕捉的非定常气动力特性。对于上游转子，偏航失准导致叶片上局部迎角随时间变化，从而引起非定常载荷。下游转子部分浸没在偏航的上游转子引起的偏转尾流中。当叶片旋转进入和离开尾流不足时，叶片经历循环载荷，导致比上游转子更强的气动载荷波动。这些分析从气动性能、尾流剖面和非定常特性的角度提供了对两个串列旋翼的偏航控制效果的全面理解。研究结果可为风电场偏航控制策略的设计提供参考，并为偏航失准引起的疲劳损伤评估奠定基础。
2023-02-03 physics.flu-dyn
Aeroacoustic airfoil shape optimization enhanced by autoencoders
本文提出了一种用于风力机叶片设计的翼型形状优化框架，以降低后缘噪声。使用Amiet理论结合TNO-Blake模型计算壁面压力谱和快速回转XFOIL模拟评估边界层参数，对远场噪声进行评估。首先使用零迎角的NACA 0012翼型验证计算框架。采用粒子群算法对翼型外形进行优化。多目标优化在保证足够升力和最小阻力的同时，使不同攻角下的A加权总声压级最小。我们比较经典的参数化方法来定义翼型几何形状（即，CST）到机器学习方法（即，变分自动编码器）。我们观察到，变分自动编码器可以表示各种各样的几何形状，只有四个编码变量，导致有效的优化，从而改善最佳形状。与基线几何形状NACA 0012相比，基于自动编码器的优化翼型将总体声压水平降低了3%（1.75 dBA）（整个频率范围内的噪声降低），同时在升力和阻力方面保持了良好的空气动力学特性。
2022-09-30 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
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
Wake Structure of Wind Turbines in Yaw under Uniform Inflow Conditions
通过涡轮机偏航偏转尾流来减少风电场中的尾流损失已被证明是一种可行的风电场控制方法。尽管如此，偏航的有效性不仅取决于尾流偏转的程度，而且还取决于尾流的最终形状。在这项工作中，偏转和尾流的形态学后，风力机偏航条件下运行的风力机进行了研究使用的风洞实验模拟为一个多孔盘在一个均匀的来流。首先，通过测量下游各个位置的速度分布并与之前的研究进行比较，我们确认偏航时的非旋转风力机模型会产生真实的尾流偏转。其次，我们描述了尾流形状的特征，并首次观察了所谓的卷曲尾流，显示出显着的展向不对称性。实验中观察到的尾流卷曲在大涡模拟中也被定性地再现，采用了作动盘和作动线模型。当风力机为了下游涡轮机的利益而偏航时，必须考虑尾流的不对称形状，因为它影响尾流与下游涡轮机相交的程度。
2016-03-21 physics.flu-dyn
Aerodynamic performance enhancement and noise reduction for Darrieus vertical axis wind turbines: V-shaped blades and trailing-edge serrations
达里厄垂直轴风力机是城市风能利用的主流装置之一。市场对高风能转换效率的追求推动了在降低噪声的同时提高风力机功率系数的研究。本文对一种V形叶片和尾缘锯齿的小型垂直轴风力机的空气动力学和气动声学特性进行了进一步的研究。通过实验验证了采用雷诺平均Navier-Stokes SST k Ω湍流模型和FW-H方法的可行性。在正常风速条件下，V型叶片在较宽的叶尖速比范围内均能有效提高VAWT的功率性能，而尾缘锯齿也会略微提高VAWT在最佳叶尖速比下的功率输出。尾缘锯齿V型叶片风力机的功率系数比原风轮提高了28.3%。此外，与传统的椭圆分布相比，首次在垂直轴风力机中发现了哑铃形的噪声方向性分布。V型叶垂直轴风力机产生的低频噪声较小，尾缘锯齿实现了预期的降噪效果。本研究为高效率、低噪音风力机的设计提供了一种可行的解决方案。
2023-02-19 physics.flu-dyn
Computational study of vertical-axis MHK turbines using a coupled flow-sediment-turbine modeling approach
Department of Civil Engineering, Stony Brook University（石溪大学土木工程学院）
本研究提出耦合大涡模拟与河床形态动力学的致动面模型，探究泥沙对垂直轴水轮机性能的影响，发现活动河床使性能下降约2%，且该方法计算成本仅为解析法的4%。
2025-10-16 physics.flu-dyn
Optimal smoothing length scale for actuator line models of wind turbine blades
作动器线模型（ALM）是在大涡模拟（LES）中表示诸如风力机叶片的升力面的常用方法。在ALM中，升力和阻力由施加的体积力代替，该体积力通常使用具有某个规定的平滑宽度$ε$的高斯核在若干网格点上平滑。迄今为止，选择$ε$最经常是基于数值的考虑，网格间距在LES中使用。然而，特别是对于网格间距等于或小于叶片弦长的精细解析LES，$ε$的最佳选择尚不清楚。在这项工作中，遵循理论方法来确定最合适的值的$ε$。首先，我们开发了高斯升力和阻力的线性化流响应的解析解，并使用结果来建立指定升力和阻力所需的局部速度和远场速度之间的关系。然后，首先集中在升力，我们找到$ε$和力中心的位置，最小化的高斯力和2D的位流超过Joukowski翼型诱导的速度场之间的平方差。我们发现，对于所考虑的情况，最佳平滑宽度$ε^{\rm opt}$为叶片弦长的14- 25%，力中心位于叶片前缘下游约13- 26%处。这些最佳值不依赖于迎角，仅微弱地依赖于升力面的类型。为了表示阻力，圆形高斯阻力场的最佳宽度被示出为等于尾流的动量厚度。
2016-05-10 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
Evaluating the accuracy of the actuator line model against blade element momentum theory in uniform inflow
本文通过三种大涡模拟程序对NREL~5~MW风力机在均匀来流条件下的流场进行模拟，评价了激励线模型（ALM）方法的准确性。当网格间距$Δ_{\rm grid} \le 5.25$ ~m时，使用三种代码获得的功率和推力系数在$1\%$内一致，并根据叶素动量（BEM）理论进行交叉验证。我们发现，当数值分辨率增加时，ALM的结果收敛到边界元理论，而不需要尖端校正。对于$Δ_{\rm grid}=0.98$ ~m，使用ALM和BEM获得的功率和推力系数之间的差分别为$4.5\%$和$2.1\%$，尽管我们注意到，由于两个模型使用不同的假设，例如在ALM中使用力投影法，因此不能获得ALM和BEM之间的绝对收敛。从使用$Δ_{\rm grid} = 1.97$ ~m和$Δ_{\rm grid} = 0.98$ ~m的ALM模拟中获得的沿叶片的局部轴向力和切向力的差异可以与$10\%$一样大。当致动器点之间的间距约为网格间距的三倍时，致动器点的数量对所获得的涡轮机功率和推力系数的影响是有限的，因为结果收敛。这种对所需叶片点数量的洞察可用于提高致动器线模拟的效率。
2022-01-23 physics.flu-dyn
High-order gas-kinetic scheme for numerical simulations of wind turbine with nacelle and tower using ALM and IBM
Beijing Normal University（北京师范大学）；University of Oxford（牛津大学）；Suzhou Stream Energy Technology Co., Ltd.（苏州流能源科技有限公司）；Institute of Mechanics, Chinese Academic of Sciences（中国科学院力学研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Beihang University（北京航空航天大学）；University of Bristol（布里斯托大学）
本文提出一种结合ALM和IBM的高阶气体动力学方案，用于模拟带有机舱和塔架的风力机，实现高精度的湍流尾涡模拟。
2026-03-11 physics.flu-dyn
Generalised actuator disk theory: wake development with turbulent entrainment
Durham University（杜伦大学）；University of Kent（肯特大学）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
本文提出一种广义叶轮机盘理论，结合流管和尾涡控制体积，可预测任意距离处的涡流变化，改进高负载盘的推力和功率系数预测。
2026-06-05 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
Performance of two-dimensional tidal turbine arrays in free surface flow
最近的潮汐涡轮机阵列的性能研究的鼓舞下，我们扩展了经典的动量致动器盘理论，包括自由表面的影响，并允许垂直排列的涡轮机。现有的文献大多是关于垂直方向上带有单个涡轮的一维阵列，而本文中的阵列是二维的（垂直和横向方向上都有涡轮），并且部分阻塞宽度远大于高度的通道。假设阵列尺度流的垂直混合比横向混合快得多。这一假设已被数值模拟所证实。在固定涡轮总面积和利用宽度的情况下，对二维阵列和传统的一维阵列进行了比较。结果表明，较小的涡轮机的二维排列是首选的一维阵列从功率系数和效率的角度来看。当考虑信道动态特性时，信道参数的变化会部分抵消功率的增加，但最优配置不变。此外，我们考虑如何安排有限数量的涡轮机在一个通道。最后，分析了小堵塞的极限条件--无限大水流中布置水轮机的情况。当$Fr=0.2$时，出现了一个新的最大功率系数0.869，与现有结果相比，极大地提高了峰值功率。
2017-11-02 physics.flu-dyn
Influence of wind shear and veer on power, thrust, and induction of an actuator disk
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
通过大涡模拟研究风切变和风向偏转对风力机功率系数的影响，发现其可降低功率效率超过20%，并分解为几何效应和诱导效应。
2026-07-01 physics.flu-dyn
High-Order CFD Modeling of Rotating Actuator Line Systems
University of Maryland Baltimore County (UMBC)（马里兰大学巴尔的摩县分校）
本研究开发耦合FR/CPR格式与ALM的高阶CFD框架，无需显式叶片几何即可模拟全旋转涡轮机，经两叶片VAWT测试，可可靠捕捉强非定常下的叶片载荷、流场及尾流特征。
2026-08-31 physics.flu-dyn
An Empirical Wall-Pressure Spectrum Model for Aeroacoustic Predictions Based on Symbolic Regression
ETSIAE-UPM - School of Aeronautics, Universidad Politécnica de Madrid（马德里理工大学航空工程学院（ETSIAE-UPM））；University of Twente（特文特大学）
本研究针对现有翼型壁压谱模型适用范围窄、鲁棒性不足的问题，采用基于遗传算法的AI符号回归构建新经验模型，经多翼型多工况数据验证更优，结合Amiet理论可准确预测全尺寸风机气动噪声。
2025-01-14 cs.AI cs.LG 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
Performance Analysis of Vertical Axis Wind Turbine Clusters: Effect of Inter-Turbine Spacing and Turbine Rotation
本研究通过ALM-LES模拟分析垂直轴风力机集群中机组间距与旋转方向对性能的影响，发现特定错排间距及同向旋转可提升性能，而反向旋转在顺排时更优，并有助于提高功率密度。
2023-10-12 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
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
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
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
Flow and Noise Control of a Cylinder with Annular Plates
本研究针对风力涡轮机噪声问题，提出带两块周向薄环形板的圆柱被动控制结构，经URANS与FW-H方法验证，可大幅减阻降噪，为风电领域提供高效环保的尾流与噪声控制方案。
2025-02-23 physics.flu-dyn
Inverse Design of Single- and Multi-Rotor Horizontal Axis Wind Turbine Blades using Computational Fluid Dynamics
提出了一种水平轴风力机的反设计方法。用于空气动力学分析的直接求解器求解雷诺平均纳维尔-斯托克斯（RANS）方程，其中涡轮转子的效应使用致动器盘模型（ADM）作为动量源建模;该方法称为RANS/ADM。反问题如下所示：对于给定的翼型选择，目标是找到叶片的几何形状（描述为叶片扭转和弦分布），其在设计点实现期望的涡轮空气动力学性能;所需性能被规定为沿叶片迎角（$α$）和轴向诱导因子（$a$）分布。使用迭代方法。叶片几何形状的初始估计值与直接求解器（RANS/ADM）一起使用，以获得$α$和$a$。计算$α$和$a$的计算值和期望值之间的差异，并使用信赖区域反射（TRF）方法通过非线性最小二乘回归获得叶片几何形状（弦和扭转）的新估计值。继续该过程，直到计算值和期望值之间的差异在可接受的公差范围内。该方法被证明为传统的，单转子HAWT，然后扩展到多转子，特别是双转子风力机。TRF方法也与多维牛顿迭代法进行了比较，发现在叶片设计中施加约束时，TRF方法可以提供更好的收敛性，尽管牛顿法在无约束优化中可以获得更快的收敛性。
2017-03-16 physics.flu-dyn
Modelling the influence of streamwise flow field acceleration on the aerodynamic performance of an actuator disc
针对流向加速影响风力机气动性能的问题，提出考虑恒定速度梯度的致动盘动量模型，RANS验证其可准确刻画诱导变化并将预测误差降低80%。
2024-10-25 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
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
Influence of Turbulence Length Scale and Platform Surge Motion on Wake Dynamics in Tandem Floating Wind Turbines
Universitat Politècnica de Catalunya（加泰罗尼亚理工大学）；YPlasma Actuator Technologies Inc.（YPlasma执行器科技有限公司）
本研究探讨了湍流长度尺度和平台运动对双浮式风力发电机尾流动力学的影响，发现较大的湍流尺度能增强尾流混合并提高下游功率输出。
2026-03-02 physics.flu-dyn
An analytical model for a full wind turbine wake
提出了一种分析风力机尾流模型，用于预测风力机顺风方向所有距离的风速分布，包括近尾流。该尾流模型增强了Jensen模型及其后续推导，并且是Bastankhah和Porte-Agel最近提出的模型的直接推广。该模型是通过应用致动器盘理论的背景下，质量和动量守恒，并假设在唤醒的速度赤字的双高斯型分布。通过适当混合尾流和自由流速度不足的解决方案，得到的物理解决方案，反映了这样一个事实，即只有一部分通过转子盘的流体颗粒将与叶片相互作用。
2017-02-01 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Modeling the effect of wind speed and direction shear on utility-scale wind turbine power production
本文评估了三种考虑风速和风向切变的功率生产模型，发现叶素模型在预测公用事业规模风力涡轮机功率时相关性更高且误差更低，并证明了时变非单调风切变对功率生产的显著影响。
2023-09-26 physics.flu-dyn
Unsteady airfoil aerodynamics in attached flow: From unsteady thin airfoil theory to wind turbine application
Technical University of Denmark（丹麦技术大学）
该研究针对风力机附着流非定常空气动力学，将其转化为BEM、LL、AL方法的气动力系数，经案例验证可提升计算精度，明确了关键建模选择与误差来源。
2026-08-31 physics.flu-dyn
A Wind Turbine Efficiency Limit Higher than the Lanchester (Betz) Limit
该研究提出风力涡轮机效率极限高于传统贝茨极限，通过分析流体力学方程推导出新的效率上限为78%。
2026-08-10 physics.flu-dyn
Study of flutter instability using the actuator line method for wind energy harvesting devices
Instituto Tecnológico de Aeronáutica（巴西航空研究院）；Universidad Nacional de La Plata（拉普拉塔国立大学）
本文通过建立二维线性模型研究作动线方法（ALM）预测颤振不稳定性的能力，比较了三种不同的ALM分析模型，包括是否包含非循环项和俯仰速率项，并与Theodorsen理论进行对比，结果表明考虑俯仰速率和非循环项的ALM能够更准确地预测颤振，为风能设备、大型水平轴风力涡轮机和固定翼飞机的气弹模拟提供指导。
2026-05-20 physics.flu-dyn
Actuator Disk Models reproduce Actuator Line Model power and thrust fluctuation statistics in wind farm simulations
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
本研究对比了ADM与ALM在三种大气条件下的风电场模拟结果，发现ADM可复现ALM的功率与推力波动统计特性，为ADM的应用提供了支持。
2026-08-24 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Wake structures and performance of wind turbine rotor with harmonic surging motions under laminar and turbulent inflows
本研究利用大涡模拟结合致动线模型，分析了层流和湍流下纵荡FOWT的转子性能与尾流结构，发现纵荡诱导的相干结构通过增强对流加速尾流恢复，并强调需综合纵荡幅值与变化率以表征滞后载荷。
2024-10-03 physics.flu-dyn
Temporal structure of aggregate power fluctuations in large-eddy simulations of extended wind-farms
波动是将大型风电场的电功率并入电网的主要挑战。风电场功率输出在不同的时间尺度上随时间强烈波动。了解这些波动，特别是它们的时空特性，是特别重要的备用电源系统，必须随时与风电场的设计。在这项工作中，我们分析的功率波动与风输入的变化在几分钟到几个小时之间的尺度，使用大涡模拟（LES）的扩展风公园，与大气边界层相互作用。LES研究能够同时在整个风电场仔细控制参数和风速的可用性。本研究的重点是中性大气条件和平坦的地形，使用致动器磁盘表示的个人风力涡轮机。我们考虑来自风力涡轮机的各种集合的功率，例如总平均功率信号或来自风电场内的子平均值的信号。由于放置在彼此下游的涡轮机之间的复杂相互作用，观察到非平凡的相关性，并且当风向完全固定时，它们在与涡轮机间间距相关的频率处导致明显的谱峰。在这种情况下，我们观察到总风电场输出的频谱显示出近似遵循$-5/3$幂律标度制度的衰减，定性地与现场规模运营风电场的一些观察结果一致（Apt，2007）。我们发现，这些功能仍然可以观察到的风速变化时的大小。然而，随着时间的推移，风向的显着变化往往会平滑所观察到的频谱峰值，并减少所观察到的$-5/3$幂律的程度。
2014-12-23 physics.flu-dyn
Non-iterative vortex-based smearing correction for the actuator line method
本文提出并验证了致动线方法中基于涡的涂抹修正的非迭代求解方案，通过线性化升力线方法替代迭代过程，在保持精度的同时提升稳定性，并引入更精确的涡段速度近似和自由涡尾迹模型，拓展了该方法在固定翼等领域的应用前景。
2023-03-18 physics.flu-dyn
Adjoint Optimisation for Wind Farm Flow Control with a Free-Vortex Wake Model
风力发电场流控制旨在通过减少涡轮机之间的气动尾流相互作用来提高风力涡轮机性能。基于物理的动态风电场流模型对于探索尾流重定向和动态感应控制等控制策略至关重要。自由涡方法可以提供一种计算效率高的方法来模拟风力涡轮机尾流动力学，以实现控制优化。我们提出了一个面向控制的自由涡尾流模型的二维和三维致动器盘代表风力涡轮机尾流。离散伴随方程的新颖推导允许在经济的模型预测控制算法中用于基于梯度的优化的有效梯度评估。在两个涡轮机的情况下，研究平均功率最大化的初步结果。一个感应控制信号被发现使用的2D模型是大致周期性的，并支持以前的结果动态感应控制，以刺激尾流混合。3D模型公式有效地模拟了偏航失准下的卷曲尾流。在随时间变化的风向下，优化找到了演示尾流转向和到贪婪控制的平滑过渡的解决方案。具有梯度信息的自由涡尾流模型显示了有效优化的潜力，并为进一步探索动态风电场流量控制提供了一种有前途的方法。
2022-10-27 cs.SY eess.SY physics.flu-dyn
Accelerating high order discontinuous Galerkin solvers through a clustering-based viscous/turbulent-inviscid domain decomposition
本研究利用无监督聚类划分不可压缩流动的粘性/湍流与无粘区域，结合间断Galerkin框架分区求解不同方程，搭配局部P-自适应后最高可降低45%计算成本且保持精度。
2024-03-08 physics.flu-dyn
Unsteady aerodynamic response of pitching airfoils represented by Gaussian body forces
针对大涡模拟中致动线方法高斯核宽度偏大、现有修正忽略展向脱落涡影响的问题，建立了考虑核宽度的展向脱落涡对高斯体积力翼型非定常载荷影响的模型，经LES验证发现核宽度可使非定常升力幅值最多降低40%。
2024-10-30 physics.flu-dyn
waLBerla-wind: a lattice-Boltzmann-based high-performance flow solver for wind energy applications
本研究开发了基于格子玻尔兹曼方法的风能仿真软件waLBerla-wind，支持耦合致动器模型的大涡模拟，具备模块化、跨架构性能可移植特性，经实验与基准验证有效且扩展性良好，适用于大规模风电场仿真。
2023-12-08 cs.CE cs.DC physics.flu-dyn
Pseudo-2D RANS: A LiDAR-driven mid-fidelity model for simulations of wind farm flows
该研究提出激光雷达驱动的Pseudo-2D RANS中等保真风电场流场模型，经校准和验证后，在陆上风电场发电量预测上的误差显著低于现有最优工程尾流模型。
2021-11-04 physics.flu-dyn
Stochastic dynamical wake modeling for wind farms
涡轮机尾流的低保真度分析模型传统上用于风电场规划、性能评估，并展示先进控制算法在增加年发电量方面的实用性。然而，在实践中，它仍然具有挑战性的正确估计流量，并实现显着的性能增益使用传统的低保真度模型。这是由于来自模型的尾流预测的静态性质过于简化，而这些模型不知道大气边界层湍流的影响和风力机之间复杂的空气动力学相互作用。为了提高低保真度模型的预测能力，同时保持服从控制设计，我们提供了一个随机动态建模框架，用于捕获大气湍流对推力和发电的影响，由致动器盘的概念确定。在这种方法中，我们使用随机强迫线性模型的湍流速度场，以增加分析计算的尾流速度，并实现捕获功率和推力测量与高保真度模型的一致性。我们的随机模型的功率谱密度通过凸优化确定，以确保与部分可用的速度统计或功率和推力测量的一致性，同时保持模型的简约性。我们证明了我们的方法在捕捉风力机后面的湍流强度变化，并估计推力和功率信号产生的大涡模拟的涡轮机叶栅的流量的效用。我们的研究结果提供了深入了解稀疏场测量的意义，在恢复风电场湍流的统计特征，使用随机线性模型。
2022-08-25 math.AP math.DS math.OC
Multi-scale Dynamic Wake Modeling and Prediction of Floating Offshore Wind Turbines via Physics-Informed Neural Networks and Fourier Neural Operators
College of Renewable Energy, Hohai University, Changzhou, 213200, China（能源学院，河海大学，常州，213200，中国）；College of Water Conservancy and Hydropower Engineering（水利水电工程学院）；National Technology Innovation Center for Wind Power, Hohai University, Changzhou, 213200, China（风能技术创新中心，河海大学，常州，213200，中国）
本文提出利用物理信息神经网络和傅里叶神经算子对浮式海上风力涡轮机的多尺度动态涡流进行建模与预测，通过高保真数据集验证了FNOs在效率、长期预测能力和多尺度相干结构保真度方面的优势。
2026-05-20 cs.LG physics.flu-dyn
Revisiting Rotary Blade Aerodynamics and Wake Behavior of a Vertical-Axis Wind Turbine via a High-Order Actuator-Line Framework
University of Maryland Baltimore County (UMBC)（马里兰大学巴尔的摩县分校）
研究在固定笛卡尔网格上模拟旋转叶片空气动力学问题，核心方法是结合FR/CPR求解器与旋转ALM模型，以VAWTs为示范配置，经推导网格分辨率准则及模拟验证，该框架准确高效，适合相关风能应用研究。
2026-11-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
