李曌斌-力学所-海洋工程分会场.pdf

1、漂浮式风力机的动态尾迹模型漂浮式风力机的动态尾迹模型李曌斌 杨晓雷*中国科学院力学研究所2024-8-17第十九届中国可再生能源大会-风能分会海上风电和海洋工程分会场1研究背景研究背景主要内容主要内容2分析与模化分析与模化3 3模型验证模型验证4 4结论与展望结论与展望漂浮式风力机尾迹：深远海风能开发的新现象漂浮式风力机尾迹：深远海风能开发的新现象风力机摇荡风力机摇荡（漂浮式平台）尾迹蜿蜒尾迹蜿蜒3重要性重要性 风速低、脉动强 降低风电场整体效率、加剧下游机组结构疲劳特殊性特殊性 漂浮式平台的浮动 尾迹显著区别于固定式风力机挑战性挑战性 风力机摇荡运动、尾迹蜿蜒运动交互耦合，现象复杂，机理不清

2、风力机摇荡风力机摇荡（漂浮式平台）尾迹蜿蜒尾迹蜿蜒漂浮式风力机尾迹：深远海风能研究的新前沿漂浮式风力机尾迹：深远海风能研究的新前沿4美国：美国：Floating Offshore Wind Shot (2022-2035)欧盟：欧盟：FLOATECH(2021-2023)到到 FLOATFARM(2024-2027)连续两期连续两期风电机组（群）尾迹相互干扰近期优先方向近期优先方向2035年，降低70%成本美国美国欧盟欧盟单风力机的尾迹控制多风力机协同的尾迹控制漂浮式风力机尾迹：机组设计规范的新要求漂浮式风力机尾迹：机组设计规范的新要求漂浮式海上风力机发电机组设计要求漂浮式海上风力机发电机组设

3、计要求国家标准GB/Z 44047-2024/国际电工委员会IEC TS 61400-3-2(2024年5月28日发布2024年12月1日实施)5“发电过程中邻近漂浮式海上风力发电机组引发的尾流效应予考虑。”“当采用IEC 61400-1中所建议的尾流模型时，应考虑漂浮式基础结构的运动响应。”问题：尾流、漂浮式基础运动如何相互影响？如何建模来体现这种影响？1研究背景研究背景主要内容主要内容2分析与模化分析与模化3 3模型验证模型验证4 4结论与展望结论与展望我们的工作我们的工作以“高可信度数值模拟+流体力学机理分析”为研究范式在漂浮式风力机尾迹的机理、现象、控制和模型研究上取得了一系列有影响力

4、的成果新机理、新现象：小幅平台摇荡诱发的大幅尾迹蜿蜒 （J.Fluid Mech.2022：流体力学顶刊）传统模型：漂浮式场景下DWM模型评估（Renew.Energy 2024：可再生能源顶刊）新控制手段：平台运动与风电场效率提升 （Phys.Fluids 2024：流体物理顶刊）新模型：漂浮式风力机尾迹的Motion-Wake模型 （J.Fluid Mech.2024：流体力学顶刊）7漂浮式风力机尾迹预测并发现了流动失稳机理主导的漂浮式风力机尾迹蜿蜒预测并发现了流动失稳机理主导的漂浮式风力机尾迹蜿蜒 通过流动稳定性理论，预测了风力机尾迹的失稳频率 发现了微小幅度的平台运动就能够引起大幅度的

5、尾迹蜿蜒 被欧洲风能学会原主席在流体力学顶刊评价为“重要结果”，并用风洞试验证实J.Peinke 教授（H-index=53）德国Oldenburg大学教授欧洲风能学会原主席欧洲风能学会原主席Science风能科学重大挑战风能科学重大挑战2合作者合作者“重要的是”(last but not least)，我们的工作示范了横向振荡可引发蜿蜒和促进尾迹恢复的作用。这项“重要结果”(important result)在低湍流度的环境下更显著。大涡模拟大涡模拟（风机运动幅值A=0.01D）线性稳定性分析线性稳定性分析被著名学者评价为“被著名学者评价为“重要结果重要结果”用风洞试验证实用风洞试验证实Li

6、,Dong&Yang,J.Fluid Mech.20228St=0.6St=0.3St=0.1x/DSt敏感频率现有工程模型不能反应漂浮式尾迹的动态特点现有工程模型不能反应漂浮式尾迹的动态特点 Frandsen模型：通过经验公式，将尾迹的影响表示为等效湍流度 DWM模型：考虑来流大尺度涡对尾迹的输运作用，将尾迹简化为被动标量 漂浮式尾迹模型：必须考虑平台运动和尾迹失稳机理，反映尾迹的动态特点9effhub=02 hub hub 1 风向分布I 尾迹+环境的混合湍流强度m Wohler曲线指数漂浮式风力机尾迹模型漂浮式风力机尾迹模型Frandsen模型模型DWM模型模型以等效湍流度表达尾迹附加载