技术 | 风机支承结构的阻塞效应研究

海上风力发电已逐渐成为可再生能源的一大来源。然而，人们对大型风力发电场的空气动力学效应仍知之甚少。发表于《可再生和可持续能源》（Journal of Renewable and Sustainable Energy）上的最新研究，深入探讨了风力发电场必要结构对空气流动的影响。

英国克兰菲尔德大学（Cranfield University）和牛津大学（the University of Oxford）科学家提出一种理论模型，用于估计风机塔架对风力发电场的气动影响。通过采用一种称为双尺度耦合动量平衡方法，研究团队能在理论和计算上，重构大型风力发电场未来可能面临的情况，包括涡轮机群密集分布时产生的阻尼效应。

论文作者Lun Ma表示，论文一大特点是，最新的模型不再局限于风力涡轮机的转子。

Ma说，“论文从新角度考虑支承结构——风机塔架——的影响，这在最初的双尺度动量模型中被忽略了。因此，本质上，新模型有助于了解风电机组支承结构对风力发电场阻塞效应的潜在影响。”

即使是大规模海上风力发电场，也面临阻塞效应，即风在接近涡轮机时速度减小，经过涡轮机后风速进一步减少，并产生尾流效应。

通过采用双尺度耦合动量平衡方法，研究人员能在理论和计算上，重构大型风力发电场未来可能面临的情况，包括涡轮机群密集布置时产生的阻尼效应。图为转子盘（红色）、塔架（黄色）和周围区域（浅蓝色）的横截面网格。 

然而，要在风力发电场建造之前准确预测这些效应，仍是业内一大难题。

为解决这一问题，研究人员转向使用双尺度动量模型，模拟在理想的无限大风力发电场中，随着风机分布密度提高，单个风机效率下降的情况。

Ma说，“双尺度动量模型预测风机效率下降与风力发电场阻塞效应密切相关。但最初的双尺度动量模型高度简化，需要进一步改进才能实际应用。”

团队将动量平衡方程与另一种称为传动盘理论的方法相结合，可进一步囊括其他因素，如涡轮机支承结构的影响。新方法能让研究人员考虑到更多实际的情况，如规模有限的风力发电场。

然后，研究人员利用计算流体力学进行模拟，验证支承结构对阻塞效应的影响，尤其是它们产生的风阻所带来的影响。

Ma表示，团队将进一步研究阻塞效应与天气状况变化之间的关系。