《Renewable Energy》：Dynamic coupling of wake added turbulence and array effects: nonlinear impacts on power performance and fatigue damage of 22 MW floating offshore wind turbines
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浮式海上风机尾流效应研究表明，改进动态尾流摆动模型与附加湍流模型可揭示摆动与湍流对功率及疲劳损伤的协同作用：摆动提升功率23.62%但附加湍流抵消部分增益，二者共同使疲劳损伤增加42.85%，阵列效应在7D后边际效应递减。
徐宗源|高晓霞|马红宇|钟志成|韩中禾|朱晓迅|王宇
华北电力大学电力工程系，中国保定
摘要
随着风电场规模的扩大，风力涡轮机的发电量和动态载荷受到尾流效应的影响变得更加显著，尤其是对于那些受到尾流波-电流相互作用影响的海上浮动风力涡轮机。本研究通过改进的动态尾流模型，结合入流速度、湍流强度和轴向距离的变化，探讨了尾流弯曲、尾流附加湍流以及阵列效应对浮动风力涡轮机功率性能和疲劳损伤的影响。本研究采用了目前具有最大额定功率的IEA 22 MW参考风力涡轮机。结果表明，尾流附加湍流效应部分抵消了尾流弯曲效应带来的径向动量混合带来的功率增益。然而，尾流弯曲和尾流附加湍流的耦合效应对疲劳损伤的贡献大于尾流弯曲效应本身。当入流速度为11 m/s、湍流强度为0.16时，尾流弯曲使叶片根部的短期损伤率增加了23.62%，而尾流附加湍流又进一步增加了19.23%。随着入流速度和湍流强度的增加，在叶片根部的短期DES分布中观察到逆时针旋转的对称轴。此外，随着轴向距离的增加，转子功率的边际效应减弱。当轴向距离从4D扩展到7D时，涡轮机集群的总功率增加了19.56%，但从7D扩展到10D时仅增加了12.06%。这为评估海上风电场中浮动风力涡轮机的性能提供了更好的见解。
引言
向可再生能源系统的转型加速了海上浮动风力涡轮机（FOWTs）的部署，特别是在固定底部安装不切实际的深水区域[1]。然而，由于与风、波浪和电流载荷的动态耦合，FOWTs面临着复杂的空气动力学和水动力学相互作用。这些相互作用显著影响了功率输出和结构疲劳。在多涡轮机阵列中，上游FOWTs产生的尾流会进一步增强下游流场的湍流强度和不均匀性。数值模拟[2]和风洞实验[3]表明，尾流湍流可使下游功率输出减少10-40%，同时由于非稳态空气动力学载荷，叶片根部和塔基的疲劳损伤增加高达50%。因此，准确评估FOWTs的功率性能和疲劳损伤对于海上风电项目的经济可行性和运行安全至关重要。
上游FOWTs的动态响应会影响尾流的发展，进而与下游FOWTs相互作用并产生影响。尾流的发展受到多自由度平台运动、电流诱导和不规则波浪的显著复杂化[4]。与固定底部涡轮机相比，浮动平台加剧了尾流和阵列效应对涡轮机的影响[5]。平台运动为尾流引入了额外的动态因素，导致非线性载荷放大和疲劳加速。此外，随着FOWTs额定功率容量的增加，叶片和塔架等柔性组件的尺寸也在逐渐增大。这一趋势使得结构更容易发生显著变形，从而导致局部应力集中和更复杂的动态响应[6]。因此，多涡轮机阵列中FOWTs的功率性能和疲劳损伤表现出更加复杂的变异特性。
FOWTs在多涡轮机阵列中的功率性能评估和疲劳估计的一个关键挑战是尾流建模。大涡模拟（LES）方法在FOWTs的尾流动力学建模中具有明显优势，因为它能够捕捉瞬态流动特征和复杂的湍流相互作用[7]。李等人[8]基于LES结合执行器线模型研究了两个串联FOWTs的尾流相互作用。结果表明，上游FOWT的摆动运动对尾流恢复有积极影响，从而提高了下游FOWT的功率性能。然而，LES高昂的计算成本限制了其在风工程应用中的多涡轮机风电场模拟中的适用性。分析模型[9]因其低计算负担和高求解效率而受到广泛关注。与固定底部涡轮机的尾流模型不同，FOWT的解决方案需要考虑平台运动对尾流的影响。分析模型中纳入了转子偏转角[10]和波浪年龄[11]等参数，以进一步考虑波浪对尾流动力学的影响。然而，分析尾流模型通常提供的是反映准静态条件的均匀流场，不适合模拟进行疲劳损伤评估所需的结构动态响应。
基于物理原理的动态尾流弯曲（DWM）模型使用统计方法来模拟尾流弯曲和湍流扩散[12]，该方法在国际电工委员会（IEC）标准[13]中得到正式推荐。Jonkman等人[14]将DWM模型整合到了开源代码FAST.Farm中。[15]的比较研究表明，FAST.Farm中实现的DWM模型结果与LES数据一致。DWM模型和LES在预测平均水平尾流偏转方面表现良好。除了尾流弯曲外，由相干涡旋结构分解和剪切层破碎引起的尾流附加湍流也是影响尾流建模精度的重要因素[16]。尾流附加湍流效应显著增加了尾流区域的湍流强度，从而加剧了下游FOWTs的载荷波动，并导致下游FOWTs的疲劳损伤显著增加[17]。因此，尾流附加湍流模型被引入了最新版本的FAST.Farm代码[18]中。然而，尾流附加湍流对FOWTs的功率性能和疲劳损伤的影响尚未得到系统研究。
在模拟框架中，尾流动力学和结构响应之间存在脱节。尽管数值模拟技术有所进步，但传统模拟框架往往简化了尾流动力学和结构响应之间的耦合[19]。在[20]中通过STAR-CCM+结合OpenFAST研究了尾流诱导的疲劳载荷。受STAR-CCM+功能的限制，FOWT的不规则时间序列运动响应应被简化并拟合为关于时间的解析表达式。此外，大多数研究仅关注FOWT在单自由度或双自由度（DOF）运动下的功率输出和空气动力学特性，特别是摆动运动[21]和耦合的俯仰-摆动运动[22]。为了降低水动力学模拟的复杂性，平台运动被建模为谐波（正弦或余弦）函数[23]。对于六自由度运动耦合下FOWT的功率性能和疲劳损伤，尚未给予足够的关注。对平台运动的过度简化未能考虑波浪-风-电流-结构相互作用的瞬态特性，这突显了需要综合框架来桥接空气动力学尾流效应、水动力学平台动力学和结构疲劳机制。
为了提高尾流建模的精度并充分考虑风-波-电流-结构耦合效应，本研究采用了开源代码FAST.Farm，并结合了改进的DWM模型和OpenFAST。系统地研究了尾流弯曲、尾流附加湍流和阵列效应对下游FOWT功率性能和疲劳损伤的定量贡献。此外，分析了在不同入流速度、湍流强度和相对轴向距离下，流动效应对转子功率和FOWTs疲劳损伤特性的影响。本研究采用了目前具有最大额定功率容量的参考风力涡轮机进行计算建模，以真实反映最新一代FOWTs的性能。
部分摘录
IEA 22 MW半潜式FOWT
本研究采用了目前具有最大额定功率的IEA 22 MW参考海上浮动风力涡轮机进行数值模拟。以下将其称为IEA 22 MW FOWT。风力能源市场的特点是涡轮机功率等级和转子尺寸持续增加。为了适应风能社区对未来涡轮机技术的需求，行业参与者和利益相关者的调查显示，
模型配置和设计案例
根据建模精度，本研究中存在四种不同的流动建模模式。如图3所示，第一种模式（图3（a）是风切变入流。采用指数律的均匀入流风速剖面来确定高度变化下的风速。参考IEC标准中正常湍流条件下的海上风电场，风切变系数选为0.14[13]。其余三种情况分别为FTI、FTIM和FTIMAdd（图。
尾流弯曲和尾流附加湍流的影响
在图3所示的四种不同流动建模模式（即Shear、FTI、FTIM和FTIMAdd）下，对FOWTs进行了气动弹性-水力伺服模拟。采用了图4所示的串联布局。图10展示了四种不同流动建模模式下下游FOWTs的转子功率统计结果。Shear情况忽略了入流速度分布的湍流特性。
结论
基于结合DWM模型和OpenFAST的气动弹性-水力伺服模拟框架，使用IEA 22 MW FOWT研究了尾流弯曲和尾流附加湍流对下游FOWT功率性能和疲劳损伤的影响。此外，还在不同入流速度和相对轴向距离下，对FOWT阵列的功率性能和疲劳损伤进行了全面分析。
尾流弯曲和尾流附加
CRediT作者贡献声明
徐宗源：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、概念化。王宇：验证、软件。朱晓迅：资金获取、数据管理。韩中禾：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。钟志成：可视化、验证。马红宇：软件、正式分析、数据管理。高晓霞：撰写——审阅与编辑、资金获取、数据管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
