近日,我校能动学院王燕教授团队的最新研究成果“Effects of tip speed ratio on wind turbine wake meandering”发表在流体力学国际顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》(JFM, 2025, vol. 1014, A3)。王燕教授为该论文第一作者,兰州大学胡锐锋教授为通讯作者,兰州理工大学为第一单位。JFM由英国剑桥大学应用数学与理论物理系流体力学大师G. K. Batchelor创办,被公认为流体力学领域的顶级期刊,长期刊载该领域最前沿的理论与应用研究成果。据悉,该论文是兰州理工大学首次作为第一单位在JFM发表研究成果。

风力机尾流中的蜿蜒现象表现为低频、大尺度的横向摆动,严重影响风电场下游机组的功率输出与结构安全,是风电系统优化运行中的关键科学难题之一。尾迹蜿蜒的产生机制复杂,既可能源于风轮诱导涡结构的内部不稳定,也可能受到大气湍流结构的外部调制,深入理解尾流蜿蜒的形成机制与演化规律,是提升风能资源利用效率和风电系统稳定性的关键科学问题之一。本研究聚焦叶尖速比对尾流蜿蜒的作用机制,基于大涡模拟与致动线模型,系统分析了不同叶尖速比下风力机尾流的空间结构与频率响应特征。结果表明,随着叶尖速比增加,尾流蜿蜒提前发生且幅度增强,而特征频率与叶尖速比间的关系显著依赖于风力机结构。进一步研究表明,机舱尺寸是影响尾流频率变化的关键因素。研究还指出,在大气边界层来流中,尾流主频大幅降低,表明入流湍流结构是尾流蜿蜒的主导驱动源。此外,团队采用谱本征正交分解结合SINDy算法,成功构建了一个具有物理解释性的尾流蜿蜒降阶模型,为风电场功率预测与载荷控制提供高效、低维的建模框架。

图1 t =2000 s轮毂高度处x - y平面的瞬时速度亏损场及其涡度分布:
(a, b)TSR = 5;(c, d) TSR = 6;(e, f) TSR = 7;(g h) TSR = 8

图2有、无机舱情况下尾流蜿蜒St数随TSR的变化:(a)均匀流入;(b) ABL流入
该成果相关的工作受到国家自然科学基金项目(No. 12388101和No. 52276197)、甘肃省重点研发计划——工业项目(No. 23YFGA0069)以及中央高校基本科研业务费专项资金(No. Izujbky-2024-oy10)的资助。合作者还包括华北电力大学葛铭纬教授和哈尔滨工业大学丁子敬教授。(图/文:王燕,审核:朱毓杰)
论文链接:https://doi.org/10.1017/jfm.2025.10276