原文出自 Energies 期刊：

Micheletto, D.; Fransson, J.H.M.; Segalini, A. Experimental Study of the Transient Behavior of a Wind Turbine Wake Following Yaw Actuation. Energies 2023, 16, 5147. https://doi.org/10.3390/en16135147

引言

通过尾迹导向控制策略 (Wake Steering Control Strategies) 降低尾迹对下游风力机功率输出和疲劳载荷的影响是近年来风能领域的研究热点。偏航控制是一种广受专注的尾迹导向控制策略。除了不同偏航角时的静态尾迹特征，尾迹在风力机偏航操控时的瞬态行为也是尾迹偏航控制的重要关注点。本文介绍瑞典学者 Micheletto、Fransson 和 Segalini 在这方面开展的实验研究。相关工作发表在 Energies。

实验设置

实验在瑞典皇家理工学院 (KTH Royal Institute of Technology) 的 MTL (Minimum Turbulence Level) 风洞中展开。该风洞的测试段长度为7米，横截面为1.2 × 0.8平方米。由于测试段长度有限，风洞地板上自然生成的边界层厚度不足以覆盖整个风力机模型。研究人员在测试段入口处安装了一个带齿状障碍物的壁板、涡发生器和一系列粗糙物来生成足够厚的来流边界层，并通过调整测试段的天花板保证该区域内的压力梯度为零。此外，研究人员采用热线探针测量边界层特征和尾迹流动特征。在所开展的实验中，来流风速在轮毂高度处为 Uhub = 8.5 米/秒，流向湍流强度为7.5%，边界层厚度为550毫米。风力机的风轮直径为150毫米。来流的平均速度廓线、湍流强度和风力机的功率和推力系数见图1和图2。

实验中，数据采样始于时间 t0 = 0 秒，风力发电机被设定为初始偏航角 γ0。从 t1 = 1 秒开始以36°/秒的偏航速率开始旋转，高于全尺寸风力发电机的典型速率 (≈ 0.5°/秒)。一旦操纵完成，风力机将保持当前的偏航角一段时间 ∆t2，在此期间一直持续数据采样，直到 t = tsamp。所开展实验中，∆t2 = 15 秒，tsamp = 30 秒，共有100个时间序列可进行系综平均。推力 T、扭矩 Q 和风轮角速度 Ω 的数据采集同时进行，采样频率为 fs = 15 kHz。与偏航操纵开始时间相关的不确定性约为± 4毫秒。

图1. (a) 平均流向速度，(b) 流向湍流强度。虚线为轮毂高度，点划线为风轮的叶尖高度。

图2. 三个不同偏航角在不同叶尖速比时的推力系数 (a) 和功率系数 (b)。黑色圆圈表示在偏航操控前后保持发电机设定点不变时获得的稳态值。

主要结果

图3展示了偏航角变化时风轮旋转角速度、推力和扭矩的时间变化曲线。图4为偏航角变化时尾迹流场的前四阶POD (Proper Orthogonal Decomposition) 模态。作者发现，第一阶模态占主导，并且可近似为两个偏航角稳态流场的不同。基于 POD 分析，只用第一阶 POD 模态，作者通过构建对应时间系数的低阶模型，描述了两个偏航角变换时尾迹流场变化的工程模型。模型预测和实验对比的结果见图5。

图3. 在偏航角从 γ = 0° 增加到 γ = 18° 的步进变化过程中，角速度 Ω (a)、推力 T (b) 和扭矩 Q (c) 的时间变化曲线。红色虚线表示偏航角为 γ = 18° 的时间间隔。为了消除快速波动，对所有时间序列应用了窗口为33毫秒的移动时间平均。

图4. 偏航角在 γ = 0° 和 γ = 18° 之间变化时尾迹流场的前四阶 POD 模态。左列显示空间模态 (a-d，分别表示第一到第四模态)，而右列为与模态对应的时间系数。

图5. 偏航角在从 γ = 9° 转变到 γ = 18° 再返回的过程中，位于 x = 2.5D 和 y = 0.174D 处的轴向速度的系综平均值 (灰色曲线)。黑色曲线为作者模型所估算的速度场。

主要结论

作者通过风力机模型偏航操纵的风洞实验，研究了风力机标量 (风轮角速度、推力、扭矩) 和尾迹的瞬态行为。作者发现，风力机标量达到稳态的特征时间尺度比偏航操纵持续时间大一个数量级，而流动弛豫时间与偏航操纵持续时间非常接近。尾流的 POD 分析表明通过前几阶 POD 模态可很好表征尾迹瞬态特征。作者只考虑了第一阶 POD 模态，发展了描述偏航角变换时尾迹瞬态行为的降阶模型。该模型的一个主要假设为，假定速度场在整个域内同时开始变化，忽略流动调整的向前传播时间。对于风机模型，这是一个合理的假设。对于实尺寸大型风力机，流动调整的延迟时间不可忽略，模型仍待进一步发展。

撰稿人：杨晓雷

专栏简介

“风能与流体力学”专栏由 Energies、Wind 期刊编委杨晓雷研究员 (中国科学院力学研究所) 主持，专注于风能科学中流体力学相关领域的前沿进展。

专栏编辑

杨晓雷 研究员

中国科学院力学研究所

中国科学院力学研究所研究员、博士生导师。以大规模并行计算和机器学习方法为主要手段，关注可再生能源和人类健康中的流体力学问题。其团队的主要研究方向包括：(1) 分离流和粗糙壁湍流的数据驱动大涡模拟模型和未解析流动的参数化模型；(2) 风电场大尺度湍流结构的生成与演化机理、相似准则和风能工程模型；(3) 动脉粥样硬化中的流体力学机制。

Energies 期刊介绍

主编：Enrico Sciubba, University of Roma Sapienza, Italy

期刊发表涵盖能源动力工程、技术开发以及能源政策经济管理等相关领域的最新研究成果。

2022 Impact Factor：3.2

2022 CiteScore：5.5

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Time to Publication：40 Days