尾流模型

风电场中许多风力机布置在一起，一些风力机将处于另一些风力机的尾流中，使风力机的性能受到影响，功率输出减小，影响整个风电场总的功率输出。开展尾流效应对风力机性能影响研究是为了合理布置风力机，尽量减小风力机尾流的影响，提高风电场效率，使风电场的经济性达到最佳。

尾流模型平衡尾流模型

平衡尾流模型采用传统的叶素理论对风力机特性进行时间和区域的动态仿真，并假定尾流随叶片承受载荷变化迅速做出反应。因此，平衡尾流模型的处理方法就是在每一时间步长内，叶片每个叶素的轴向和周向诱导因子均取当时来流状态所对应的稳态计算结果。基于这种处理，沿着叶片的诱导速度是在特定的来流情况下的叶片每个叶素所承受载荷的瞬时计算解，而与达到这个状态的过程无关，因此这是一个准稳态模型。虽然这个模型在风力机气动分析中一直被采用，但在处理快变过程时会过高估计动态载荷。

尾流模型动态尾流模型

动态尾流模型考虑了由于叶片承受载荷变化而引起风轮入流速度变化的机理，这种变化的影响需要一定的时间来改变诱导速度场，即当叶片载荷变化时，诱导速度的动态变化过程需要一定的延迟时间。因此，结合动态尾流模型的处理方法，可以较真实地反映尾流动态滞后和动态诱导速度场的变化过程。

动态尾流的研究始于直升机空气动力学的研究，直升机空气动力学理论中，提供了描述在风轮处诱导流场动态地依赖于风轮所承受载荷的方法。

在研究风速变化过程中风电机组的相互影响问题时，通常采用的风速数学模型都是假设风电场内所有风电机组的风速相同，而没有考虑风场内风速的变化。实际上，当风经过风力机时会损失部分能量，表现为风速的降低同时由于尾流效应的影响，在某一风向上，坐落在下游风力机的输入风速要低于上游风力机的输入风速。风力机相距越近，前面风力机对后面风力机的影响就越大。为了充分利用当地风能资源和发挥规模效益，大型风电场通常由几十台甚至数百台风电机组组成，受场地和其它条件的限制，这些机组不可能相距太远。因此，在准确描述风速扰动下风电场输出功率的波动特性及其与电力系统的相互影响问题时，有必要考虑尾流效应对每台风电机组风速的影响，只有这样，才能保证计算的准确性，从而使研究结果更具有实际意义和实用价值。 2100433B

国内、外许多专家对风电场的风速模型进行了大量的研究，得出了很多种侧重于不同分析内容的风速模型。有关研究利用复杂交叉功率谱密度法建立了考虑风电场内风扰动、风电机组的排列布置和地形变化等因素用于风电场电能质量分析的等效风速模型。也有学者研究从风速功率谱密度的角度出发，将风速序列看作白噪声序列通过整形滤波器的输出，建立了风速模型，并给出了计算整形滤波器参数的方法。更有甚者，建立了满足一定功率谱密度特性的自回归滑动平均风速模型，并对该模型的仿真结果进行了分析和对比。这些模型考虑了风电场内影响风速的很多因素，比较复杂，适合于风电场电能质量的研究。但是对于分析风速变化时风电场的功率波动对电网动态特性的影响时，这些模型显得过于复杂，并且在这些模型中有些参数的获得比较困难，可能会影响计算的准确性。因此可以忽略对风电场及电力系统动态特性影响不大的因素，如描述风电场地形、地貌的参数，包括等高线、地形粗糙度及障碍物等。

多排转静叶片排间，叶片尾流抖动行为影响着叶片排间相互作用，尾流和主流的掺混，气动噪声特性，还会引起转子叶片发生振动。已有研究很少涉及多排转静叶片排的尾流抖动现象及其调控方法。针对这一问题，本研究工作的主要目的是揭示转静叶片排间抖动尾流流动形态特性，以及如何对抖动尾流进行调控，使其具有最小的流动损失。 首先研究了两排叶片间的转静干涉与叶片尾迹抖动行为关系。然后依据三排叶片组成的轴径流组合压气机模型，研究两个转静子干涉同时存在情况下叶轮机械内部尾迹非定常干涉耦合叠加特性，并建立代表多因素的变量叠加模型。借鉴模型分解方法，将某些干涉因素对应变量从叠加公式中分离，用于展示非定常因素时域耦合叠加特征。研究主要结论如下： (1) 认为下游叶片势流场是上游叶片尾迹发生抖动的主导因素。下游叶片势流造成叶片排之间区域周向压力分布不均。随着叶片转动，上游叶片尾迹两侧压力差正负交变。这个正负变化压力梯度是叶片尾迹发生抖动行为的驱动力。(2) 描述了上游叶片尾迹对下游叶片尾迹抖动特性的异步干涉现象。上游叶片尾迹通过与下游叶片边界层干涉方式改变下游叶片边界层局部厚度，随后叶片两侧增厚边界层异步汇入尾迹，影响下游叶片尾迹抖动特性。(3) 中间叶片排尾迹抖动特性是由上下游叶片排共同决定的。当上下游叶片干涉频率不同时，中间叶片抖动周期为两个影响因素周期的最小公倍数。当上下游叶片排干涉频率相同时，中间叶片尾迹抖动周期与上下游叶片排通过频率相同。(4) 建立了影响因素耦合叠加公式，成功获得部分影响因素时域叠加特征。时域叠加波形图显示：当两个因素以“波峰-波峰”或“波谷-波谷”相对相位叠加时，中间叶片尾迹抖动幅值最大。而当两个因素以“波峰-波谷”相对相位叠加时，中间叶片尾迹抖动幅值最小。 项目研究结果有助于推进叶轮机械非定常设计体系的建立和实现非定常干涉或多因素耦合干涉的有效组织。 2100433B

多排转静流线体间，静止流线体尾流抖动行为影响着转静流线体间相互作用，尾流和主流的掺混，气动噪声特性，还会引起转动流线体发生振动。已有研究很少涉及多排转静流线体间静止流线体的尾流抖动现象及其调控方法。针对这一问题，本研究工作的主要目的是揭示转静流线体间抖动尾流流动形态特性，以及如何对抖动尾流进行调控，使其具有最小的流动损失。为了实现上述研究目的，本工作从以下几个部分展开：(1)明确静止流线体表面边界层形态对其尾流抖动特性的诱导效应；(2)发现上下游转动流线体时序位置对静止流线体尾流抖动幅值、掺混损失、输运特性的影响机理；(3)确定静止流线体尾流抖动幅值差异性对尾流流动形态演化过程产生的影响；(4)提出静止流线体尾流抖动幅值、频率和掺混损失的调控方法。研究结果可以丰富对多排转静流线体间静止流线体尾流抖动特性的认识。