大气边界层中低空急流对大型海上浮动风力涡轮机运行的影响

《Ocean Engineering》：The impact of low-level jets in the atmospheric boundary layer on the operation of large-scale floating offshore wind turbines

低层喷射（LLJ）对大型近海漂浮式风电装置动态载荷及结构响应的影响研究。基于多项式函数与谱模型校准的LLJ不规则垂直风场模拟，结合Aero-Hydro-Servo-Structural（AHSS）耦合模型进行动态响应分析，揭示LLJ参数（高度、强度、风向偏转角）对15MW和22MW风机结构安全风险的影响规律，提出快速评估方法以指导风机设计与运维策略优化。

　　

王浩|吕志通|柯世堂|王同光|阿赫桑·卡里姆

中国江苏省南京市河海大学工程力学系，211100

摘要

低层急流（LLJs）常见于海洋近海大气边界层，其特点是风切变不规则，这会显著影响浮动风力涡轮机的性能和安全性。本文提出了一个综合分析框架，用于评估LLJs对大型浮动海上风力涡轮机（OWTs）在运行过程中动态载荷和结构响应的影响。在所提出的框架中，利用多项式函数和对测量数据进行校准的平滑谱来模拟LLJ引起的风速、风向和湍流的不规则垂直剖面。浮动OWT采用基于梁理论的空气-水力-伺服-结构（AHSS）耦合模型进行模拟。利用具有LLJ特征的风速时间历史数据来激励OWT模型，从而能够进行详细的载荷和响应分析。通过研究两台基准涡轮机（一台15 MW的OWT（15OWT）和一台22 MW的OWT（22OWT），本文探讨了关键LLJ参数（如急流高度、急流强度和风向变化角）对结构响应的影响。结果表明，即使在相同的轮毂高度风速下，LLJs也会导致动态响应显著增加，从而增加叶片与塔架碰撞的风险。此外，随着涡轮机规模的增大，LLJs的影响变得更加明显。这些响应分析结果用于开发一种快速评估LLJ效应的方法，为设计减少浮动OWT运行风险的缓解策略提供了依据。

引言

气候变化导致非天气尺度风事件的发生频率增加，使得相关的低层急流（LLJs）成为行星边界层中的一个显著现象，尤其是在海岸线附近（Nunalee和Basu，2014；Bluestein，2021；Xie等人，2025）。对于海上风力涡轮机（OWTs）而言，LLJs引起的高风速可能有利于风能生产（Borthwick，2016；Feng等人，2024）。另一方面，LLJs的不规则风切变（特别是平均风速随高度降低的负切变）和风向变化（平均风向随高度的变化）可能会在运行过程中降低结构安全性（Gould和Burris，2016；Yuan和Tang，2017；Zuo等人，2018）。考虑到新兴的大型OWTs的高度范围处于LLJs的高度范围内，这种双重影响引起了研究的关注（Khan和Javaid，2020；Palmer，2024）。

LLJ的基本特征可以通过急流强度（影响最大风速）、急流高度（影响风速剖面）和急流风向变化（影响风向剖面）来描述（Shu等人，2018；Yan等人，2021）。Bonner（1968）指出，LLJ是一个强烈的、狭窄的气流带，具有高达10 m/s的不规则垂直风切变，通常发生在250m至1000m的高度范围内。Whiteman等人（1997）进一步将急流强度定义为急流高度以上最大风速与最小风速之间的差异，其中急流高度是指最大风速出现的高度（Browning和Pardoe，1973）。最近，为了研究LLJ的特征，美国国家可再生能源实验室（NREL）启动了Lamar项目（Kelley等人，2004），该项目对LLJ进行了长期测量，以获得观测数据和统计模型。研究表明，急流高度主要在100m至350m之间，尽管它也可能出现在距地面50m至1000m的高度（Kelley等人，2004）。此外，LLJ通常伴随着显著的风向变化。基于测量数据，NREL开发了一个LLJ剖面模型（Jonkman和Buhl，2006），用于风速和风向变化，以及伴随的湍流谱模型（Jonkman，2009）。这些LLJ特征模型为分析LLJ对风力涡轮机的影响提供了基础。

一些最近的研究探讨了LLJs对其特性影响下的风力涡轮机的影响。例如，Zhang等人（2019a）发现，转子扫掠区域内存在负风切变不仅增加了转子功率，还减少了作用在转子上的不平衡空气动力载荷。Gutierrez等人（2019）研究了不同急流高度下风力涡轮机的响应，并指出LLJ引起的叶片-塔架扰动可能是一个值得关注的问题。Makarewicz和Go?ebiewski（2019）基于简化的线性风速增加模型研究了LLJs与风力涡轮机相互作用产生的冲击。Ahmed等人（Ahmed和Paskyabi，2023）研究了在轮毂高度固定急流高度的情况下，合成LLJ风速剖面的影响，证明了LLJ的负切变会放大空气动力载荷。然而，这些研究主要集中在LLJ对空气动力载荷的影响上，而对动态位移响应的影响尚未得到充分考虑。尽管有上述例子，但关于各种特性（急流高度、急流强度和风向变化）对LLJ效应的广泛研究仍然缺乏。鉴于在LLJ对大型OWTs影响方面的研究不足，特别是运行安全性方面，进一步探索这种异常风的影响至关重要。这项研究将为OWTs的结构设计和智能运行提供科学基础。

为此，本文提出了一个新颖的LLJ-OWT分析框架，用于评估大型OWTs的LLJ诱导叶片响应。通过使用该框架，可以广泛研究LLJ的影响。最近开发的15 MW和22 MW OWT（以下简称15OWT和22OWT）被选为典型示例，分别代表当前和下一代实际的大型OWTs。本文的其余部分组织如下。首先，在第2节中介绍了所提出的框架以及两个典型OWT的信息。作为框架的两个关键组成部分，第3节和第4节分别介绍了LLJ风场模型和空气-水力-伺服-结构（AHSS）耦合模型。第5节分析了特性对LLJ对OWTs影响的统计分析，包括空气动力载荷和位移响应。第6节讨论了研究结果。第7节给出了结论性意见。

部分摘录

所提出的框架

图1概述了本研究中提出的LLJ-OWT分析框架，包括三个主要组成部分：LLJ诱导的风场模型、用于动态响应计算的AHSS模型和后处理模块。

第一个组成部分专注于LLJ诱导的风场，在LLJ条件下生成参数化的入流风速场。利用从测量数据校准的多项式来模拟LLJ诱导的风速和风向的不规则垂直剖面

LLJ诱导的风速场

与LLJ相关的湍流风场可以描述为平均风速ū(z)和波动分量u(z)的总和：

$U\left(z\right)=\stackrel{￣}{u}\left(z\right)+u\left(z\right)$

首先介绍ū(z)的不规则风速（包括风速和风向）剖面，然后是u(z)的谱模型。然后利用这些模型在时间域中模拟LLJ风场并进行演示。

OWT的动态模型

通过使用几何精确的梁理论（GEBT）来模拟叶片（Bauchau等人，2008；Tang等人，2021），控制方程表示为：

$\dot{h}?F^{\prime }=f$$\dot{g}+\stackrel{?}{u}\dot{}h?M^{\prime }+{({\stackrel{?}{x}}_0^{\prime }}^{}+{\stackrel{?}{u}}^{\prime })TF=m$$\dot{h}$$\dot{g}$$\dot{h}$$\dot{g}$