風(fēng)能利用中的空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展Ⅱ：入流和尾流特性

王同光，田琳琳，鐘 偉，王 瓏，朱呈勇，2

(1. 南京航空航天大學(xué) 江蘇省風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；2. 南京理工大學(xué) 新能源學(xué)院，江陰 214443)

0 引言

近年來，為落實(shí)《巴黎協(xié)定》溫室氣體減排目標(biāo)，世界各國積極制定能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，以風(fēng)電為代表的新能源發(fā)展正闊步前進(jìn)。美國能源部預(yù)測，至2030年美國風(fēng)電裝機(jī)容量有望增加到3.04億千瓦，將滿足其20%的電力需求。對于英國，2019年風(fēng)電已占總電力的20%，預(yù)計(jì)到2030年風(fēng)電可供應(yīng)英國50%以上的電力[1]。此外，歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)指出，至2050年左右風(fēng)電將占據(jù)歐盟電力市場的半壁江山。由此，未來風(fēng)電在全球仍將保持高速增長，風(fēng)電大規(guī)?；l(fā)展是必然趨勢。

為了加快風(fēng)能高質(zhì)量發(fā)展，我國也制定了積極的綱領(lǐng)性行業(yè)政策。特別地，為落實(shí)國家“30?60”碳排放戰(zhàn)略目標(biāo)，2020年10月北京國際風(fēng)能大會(huì)（CWP 2020）上，來自全球400余家的風(fēng)能企業(yè)代表聯(lián)合發(fā)布了《風(fēng)能北京宣言》[2]，其中提出了一個(gè)宏大的發(fā)展目標(biāo)：中國風(fēng)電總裝機(jī)容量到2030年至少達(dá)到8億千瓦；到2060年至少達(dá)到30億千瓦，可提供全國30%以上的電力電量需求。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計(jì)，截至2021年8月末，我國累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2.95億千瓦，仍與擬定目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)，面臨一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。另一方面，海上風(fēng)電憑借容量系數(shù)高、可大規(guī)模發(fā)展、有較好的消納能力等優(yōu)勢成為近年來的開發(fā)熱門。而我國海上風(fēng)電發(fā)展起步較晚，目前占比較小，與國外存在一定的差距，具備極大的發(fā)展空間[3]。

風(fēng)能的開發(fā)利用是一門綜合性強(qiáng)且多學(xué)科高度交叉融合的工程技術(shù)，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機(jī)電工程、材料科學(xué)、控制等多學(xué)科。其中，空氣動(dòng)力學(xué)是風(fēng)能工程面臨的首要和關(guān)鍵問題，決定著風(fēng)工程的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性，一直是風(fēng)能技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[4]。真實(shí)條件下，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在含大氣/地形湍流和機(jī)組尾流的復(fù)雜氣流環(huán)境中，面臨強(qiáng)非定常、多尺度耦合、流動(dòng)分離等空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域復(fù)雜問題。另外，風(fēng)電機(jī)組大型化、風(fēng)電場多樣化和集群化、風(fēng)電智能化和數(shù)字化是未來風(fēng)電發(fā)展的大趨勢，由此帶來的新問題對風(fēng)能技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

在風(fēng)能工程中，大氣空氣動(dòng)力學(xué)（屬于氣象學(xué)）的主要任務(wù)是準(zhǔn)確評估風(fēng)資源，確保風(fēng)能的合理開發(fā)利用，研究重點(diǎn)主要包括：1）大氣邊界層湍流風(fēng)特性；2）大氣邊界層穩(wěn)定度及其演變規(guī)律；3）復(fù)雜陸上地形/海上環(huán)境對風(fēng)特性的影響；4）中尺度大氣的預(yù)測；5）風(fēng)能資源準(zhǔn)確評估。風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的主要任務(wù)是葉片氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)，直接關(guān)系到風(fēng)力機(jī)的性能、效率和安全性等方面，研究重點(diǎn)包括：1）風(fēng)力機(jī)專用翼型的設(shè)計(jì)與評估；2）風(fēng)力機(jī)葉片的非定常氣動(dòng)特性及計(jì)算分析方法；3）風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)及軟件系統(tǒng)；4）風(fēng)力機(jī)流動(dòng)控制技術(shù)；5）大型葉片氣彈效應(yīng)；6）現(xiàn)代化/新型化風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)。

風(fēng)電場空氣動(dòng)力學(xué)的主要任務(wù)是合理布置風(fēng)電機(jī)組，使得風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益最大化和風(fēng)資源利用最合理化，研究重點(diǎn)包括：1）風(fēng)力機(jī)尾流氣動(dòng)特性及研究方法；2）風(fēng)電場發(fā)電功率預(yù)測和發(fā)電效率提升技術(shù)；3）風(fēng)電場微觀選址及軟件系統(tǒng)；4）海上風(fēng)電場；5）復(fù)雜大氣/地形條件下風(fēng)電場流動(dòng)及發(fā)電量預(yù)測；6）大氣邊界層與風(fēng)電場之間、風(fēng)電場集群之間的相互作用；7）大型風(fēng)電場的氣候/環(huán)境效應(yīng)。作為風(fēng)工程空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展綜述的第二部分，本篇將針對大氣空氣動(dòng)力學(xué)和風(fēng)電場空氣動(dòng)力學(xué)兩個(gè)主題，分別評述其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和取得的關(guān)鍵進(jìn)展，期望為風(fēng)能技術(shù)的發(fā)展及風(fēng)工程項(xiàng)目的實(shí)施提供有益的參考。最后，在上述研究進(jìn)展梳理和總結(jié)的基礎(chǔ)上，對今后的研究方向和重點(diǎn)進(jìn)行分析與展望。

1 風(fēng)工程氣動(dòng)特性研究的復(fù)雜性

風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在近地面大氣湍流內(nèi)，同時(shí)不可避免地位于周圍其他機(jī)組的尾流干擾之中，這使得風(fēng)能工程項(xiàng)目（如風(fēng)電場宏觀選址和微觀選址等）面臨空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域復(fù)雜的流動(dòng)問題，研究難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[4-6]：

（1）非定常來流復(fù)雜。風(fēng)電場位于大氣邊界層底部，主要吸收利用近地面30～300 m之內(nèi)的風(fēng)能資源。該區(qū)域內(nèi)普遍存在風(fēng)切變、風(fēng)轉(zhuǎn)向、湍流等多類風(fēng)況。另外，受地形地貌、大氣熱力效應(yīng)以及自由大氣氣壓梯度的共同作用，邊界層內(nèi)還存在顯著的周期（日、月、季節(jié)）變化特征，導(dǎo)致邊界層結(jié)構(gòu)和湍流風(fēng)特性實(shí)時(shí)演變。不同時(shí)段的湍流風(fēng)與風(fēng)電場的相互作用如圖1所示。這些均使得風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)現(xiàn)象呈現(xiàn)強(qiáng)非定常特點(diǎn)。

圖1 陸上大氣邊界層（白天和晚上兩個(gè)不同時(shí)段）的結(jié)構(gòu)及與風(fēng)電場相互作用示意圖Fig. 1 Schematic of the onshore atmospheric boundary layer(ABL) structures during the day and night as well as the interaction with the wind farm

（2）風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)復(fù)雜。風(fēng)流經(jīng)風(fēng)力機(jī)后在其下游形成尾流，之后在橫風(fēng)向和縱向擴(kuò)展、蜿蜒，最終以一種近乎混沌的方式消散。風(fēng)力機(jī)尾流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括大氣湍流、風(fēng)力機(jī)部件繞流、機(jī)組運(yùn)行脫出的旋轉(zhuǎn)氣流等。此外，尾渦發(fā)展演變模式多樣，包括集中渦的形成、發(fā)展和衰減的演變，集中渦與大氣湍流渦的相互牽扯與融合等，如圖2所示。尾流效應(yīng)不僅會(huì)降低下游機(jī)組的輸出功率，還會(huì)增加葉片的非定常載荷，同時(shí)影響葉片的氣固耦合特性和產(chǎn)生附加氣動(dòng)噪聲。研究表明，即使在風(fēng)力機(jī)下游10D～12D（D為風(fēng)輪直徑）距離后，尾流作用仍然存在，對下游機(jī)組產(chǎn)生不可忽視的影響。

圖2 風(fēng)力機(jī)尾渦結(jié)構(gòu)示意圖（尖速比λ = 7.07工況條件下Tjaereborg風(fēng)力機(jī)尾渦模擬，根據(jù)文獻(xiàn)[7]重繪）Fig. 2 Schematic diagram of vortex structure in the wake of a wind turbine (Tjaereborg wind turbine at a tip speed ratio λ = 7.07, adapted from reference [7])

（3）大型風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組混合尾流復(fù)雜。對于包含數(shù)十臺(tái)甚至上百臺(tái)機(jī)組的風(fēng)電場而言，機(jī)組尾渦的疊加和相互干擾以及尾流與大氣的動(dòng)量摻混等，使得尾流場呈現(xiàn)強(qiáng)非定常、多尺度效應(yīng)、熱力—?jiǎng)恿︸詈系雀叨葟?fù)雜的特點(diǎn)。圖3為航拍到的Horns Rev大型海上風(fēng)電場在鹽霧天氣條件下的尾流流場。從圖中可以看出，上游機(jī)組產(chǎn)生的尾流在下游持續(xù)發(fā)展，與下游機(jī)組的尾流相互干擾、融合，延續(xù)到很遠(yuǎn)的距離。據(jù)統(tǒng)計(jì)[8-9]，受風(fēng)電場布局及大氣穩(wěn)定度的影響，風(fēng)電場混合尾流可在下游發(fā)展5～20 km。另外，大型風(fēng)力機(jī)葉片尺寸與大氣邊界層中的湍流大渦結(jié)構(gòu)相當(dāng)，可能引發(fā)共振效應(yīng)，使得大型葉片非定常載荷的變化更為嚴(yán)峻，對機(jī)組安全性和壽命產(chǎn)生影響。

圖3 鹽霧天氣下航拍到的Horns Rev海上風(fēng)電場尾流圖[10]Fig. 3 Aerial image of the wind turbine wakes of the Horns Rev wind farm under a low hanging fog condition[10]

（4）大氣層與大型風(fēng)電場的多尺度效應(yīng)及相互作用復(fù)雜。大氣層中包含連續(xù)湍流尺度的物理現(xiàn)象，尺度涉及毫米量級的湍流耗散（Kolmogorov尺度）到百公里尺度的長波運(yùn)動(dòng)（大中尺度）[11]。這些多尺度的大氣運(yùn)動(dòng)，通過大氣底部的薄層（即大氣邊界層）作用于多個(gè)層面，包括微觀的葉片附面層（空間尺度約為1×10?3m，時(shí)間尺度約為1×10?3s）到風(fēng)力機(jī)（空間尺度約為1×101m，時(shí)間尺度約為1×10?1s），再到宏觀的風(fēng)電場（空間尺度約為1×103m，時(shí)間尺度約為[10 s，days]），最終形成復(fù)雜的多尺度流場結(jié)構(gòu)，如圖4所示。此外，一方面，大氣特性主導(dǎo)風(fēng)電場的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及發(fā)展、演變過程；另一方面，大型風(fēng)電場或風(fēng)電基地的覆蓋區(qū)域可達(dá)數(shù)十甚至上百平方公里，產(chǎn)生的巨大擾動(dòng)會(huì)持續(xù)抬升、充分?jǐn)U散，從而影響和改變大氣層的整體結(jié)構(gòu)和特性，甚至可對局地氣象、環(huán)境產(chǎn)生影響[12-13]。

圖4 風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究中所涉及的多尺度問題（從翼型尺度到氣象中尺度）Fig. 4 Schematic diagram of the multi-scale problem in the wind turbine aerodynamic research(from the airfoil scale to the meteorological mesoscale)

2 大氣邊界層特性及湍流風(fēng)分布

風(fēng)力發(fā)電是將大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，其效益取決于風(fēng)資源的時(shí)空分布及機(jī)組的風(fēng)能利用率。因此，作為風(fēng)力機(jī)的入流和驅(qū)動(dòng)條件，開展大氣邊界層湍流研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

大氣邊界層是指大氣層底部與陸地/海洋存在摩擦力作用的一個(gè)薄層，受表面摩擦、氣壓梯度和科氏力的綜合影響，如圖5[13]所示。對于一般湍流條件，大氣邊界層從垂直方向上又細(xì)分為：1）貼地層，靠近地面的一個(gè)薄層（0～2 m），風(fēng)工程上可忽略不計(jì)；2）近地層（Prandtl層），從貼地層到離地高度100 m之內(nèi)，此時(shí)，湍流黏性力占主導(dǎo)，風(fēng)切變較大，風(fēng)向基本不變，湍流通量隨高度近似不變；3）艾克曼（Ekman）層，該層通常離地100 m～2 km，受摩擦力、科氏力和氣壓梯度力共同作用，使得風(fēng)向隨高度變化而轉(zhuǎn)向；4）邊界層以上為自由大氣層，空氣運(yùn)動(dòng)基本遵守地轉(zhuǎn)風(fēng)法則。

圖5 陸上典型大氣邊界層分層結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Schematic of the onshore ABL structure

此外，不同于普通流體，大氣邊界層結(jié)構(gòu)及其湍流特性還受到大氣層結(jié)穩(wěn)定性（包含不穩(wěn)定、中性、穩(wěn)定等）的嚴(yán)重影響。相應(yīng)地，邊界層中氣象要素（風(fēng)速、風(fēng)向、溫度）的時(shí)空分布規(guī)律也受此影響。例如，不同大氣穩(wěn)定度條件下，平均風(fēng)速在空間域上表現(xiàn)為風(fēng)速廓線形態(tài)差異，時(shí)間域上表現(xiàn)為風(fēng)速波動(dòng)振幅和頻率不同[14]。如圖6（a）所示，中性時(shí)風(fēng)廓線呈指數(shù)分布，穩(wěn)定大氣呈上凸型，不穩(wěn)定大氣呈下凹型。在風(fēng)力機(jī)輪轂高度處（H= 1.15D），不穩(wěn)定和穩(wěn)定條件下的風(fēng)速相差19%；根據(jù)風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率近似與來流風(fēng)速的3次方呈正比關(guān)系，可以推算兩種大氣條件下的發(fā)電功率可相差47%。然而，當(dāng)前風(fēng)工程領(lǐng)域的多數(shù)工作僅以中性大氣作為入流條件，勢必會(huì)造成風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)選型不合理及風(fēng)力機(jī)發(fā)電量評估誤差，進(jìn)而給風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性帶來風(fēng)險(xiǎn)。如圖6（b）圖所示，脈動(dòng)風(fēng)速也受大氣穩(wěn)定度的顯著影響。不穩(wěn)定條件下的脈動(dòng)速度能量遠(yuǎn)高于穩(wěn)定條件兩個(gè)量級。湍流功率譜密度是計(jì)算風(fēng)力機(jī)葉片疲勞特性的重要參數(shù)，若忽略大氣穩(wěn)定度的影響，會(huì)造成一定的風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)誤差。

圖6 典型大氣條件下的風(fēng)速廓線及速度脈動(dòng)功率譜分布（根據(jù)文獻(xiàn)[14]的結(jié)果重繪）Fig. 6 Wind speed profiles and vertical velocity fluctuation power spectra under typical atmospheric conditions(adapted from references [14])

2.1 平均風(fēng)速分布及工程模型

風(fēng)工程領(lǐng)域比較關(guān)注湍流風(fēng)的速度特性（包括平均和脈動(dòng)），其模擬精細(xì)度和準(zhǔn)確度直接影響機(jī)組輸出功率和機(jī)械載荷預(yù)測的可靠性[12]。目前，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)高度主要在近地面150 m以下的范圍；但隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化和超大型化發(fā)展（截至2021年1月，世界上最大的Haliade-X 12 MW海上風(fēng)機(jī)，葉片長達(dá)107 m，葉尖最大高度為260 m），工程領(lǐng)域除了特別關(guān)注常規(guī)的近地層大氣湍流運(yùn)動(dòng)規(guī)律之外，還應(yīng)了解艾克曼層的風(fēng)資源信息。因此本小節(jié)介紹近地層和艾克曼層的大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律及定量化參數(shù)。

2.1.1 近地層

如前所述，大氣邊界層風(fēng)速廓線受大氣穩(wěn)定度的顯著影響。根據(jù)莫寧-奧布霍夫（Monin-Obukhov）相似性理論，考慮大氣穩(wěn)定度因素的近地面層風(fēng)速廓線表達(dá)式為：

式中：U(z)為 高度z處的風(fēng)速；u?為 摩擦速度，κ為卡門常數(shù)，一般取值為0.40；z0為地表粗糙度；L為莫寧-奧布霍夫穩(wěn)定度常數(shù)（即大氣運(yùn)動(dòng)所引起的剪切力與熱浮力之比）。Ψ (z/L)為大氣層結(jié)穩(wěn)定度z/L的普適函數(shù)：當(dāng)z/L或L為正值時(shí)表示穩(wěn)定層結(jié)，當(dāng)z/L或L為負(fù)值則表示不穩(wěn)定層結(jié)；當(dāng)L的絕對值大于500時(shí)，則大氣邊界層是中性層結(jié)。具體表達(dá)式為[15]：

式中：x=(1?16z/L)1/4。需要說明的是，當(dāng)z/L=0即中性層結(jié)時(shí)，式（2）即可還原為風(fēng)工程領(lǐng)域常用的對數(shù)型廓線形式。

2.1.2 艾克曼層

對于葉輪頂部高度超過100 m的現(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組，葉片不可避免地運(yùn)行在艾克曼層，此時(shí)不能僅用2.1.1節(jié)描述的近地層風(fēng)速廓線進(jìn)行風(fēng)資源和載荷的評估，還必須同時(shí)考慮艾克曼層更復(fù)雜的風(fēng)環(huán)境。為了使近地層和艾克曼層的風(fēng)速廓線具有很好的連續(xù)性，統(tǒng)一后的表達(dá)形式為：

式中：zp為 近地層厚度，α0為表面層風(fēng)與地轉(zhuǎn)風(fēng)的夾角，ug為 地轉(zhuǎn)風(fēng)速，u?為考慮大氣熱穩(wěn)定性的摩擦速率，Y為長度標(biāo)度。參數(shù)的詳細(xì)說明與計(jì)算公式可參閱文獻(xiàn)[16]。

隨著風(fēng)力機(jī)大型化發(fā)展，葉輪掃風(fēng)范圍內(nèi)的風(fēng)速廓線形態(tài)變得更為復(fù)雜，且最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的風(fēng)速差別可達(dá)30%左右，此時(shí)風(fēng)工程設(shè)計(jì)需要更加準(zhǔn)確全面的風(fēng)資源分布信息。在此情況下，僅采用輪轂中心位置單一風(fēng)速計(jì)算風(fēng)力機(jī)性能的工程常規(guī)方法可能引起較大誤差。為此，國際電工委員會(huì)（IEC）2017年發(fā)布了風(fēng)電機(jī)組功率特性測試標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400-12-1:2017[17]，該標(biāo)準(zhǔn)考慮了掃風(fēng)面積內(nèi)多個(gè)高度的風(fēng)速大小，提出了更能精確反映風(fēng)輪掃掠面動(dòng)能通量的等效風(fēng)速概念用于機(jī)組功率特性評估。文獻(xiàn)[18]采用理論分析的方法，研究了基于輪轂高度的單點(diǎn)風(fēng)速法和等效風(fēng)速法對風(fēng)力機(jī)功率計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)果表明，采用等效風(fēng)速法明顯提高了功率計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.2 脈動(dòng)風(fēng)特性及工程模型

除上述平均風(fēng)特性之外，還需特別關(guān)注能夠體現(xiàn)大氣湍流脈動(dòng)的重要特征量—湍流強(qiáng)度。這是由于，一方面，湍流強(qiáng)度大小嚴(yán)重影響風(fēng)電輸出功率。研究表明[19]，隨著湍流強(qiáng)度增大，發(fā)電容量系數(shù)（實(shí)際發(fā)電功率與額定功率之比）降低，例如，假定輪轂高度風(fēng)速相同，以高湍流為特征的不穩(wěn)定大氣條件下風(fēng)力機(jī)的輸出功率比低湍流度的穩(wěn)定層結(jié)條件下約降低15%～20%。另一方面，湍流強(qiáng)度影響風(fēng)電機(jī)組各零部件載荷，例如，文獻(xiàn)[20]的仿真結(jié)果表明，當(dāng)湍流強(qiáng)度由12%升至14%～16%時(shí)，葉根和塔底的等效載荷均增大10%左右，由此會(huì)造成風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞概率增大，大大降低風(fēng)力機(jī)組使用壽命。

湍流強(qiáng)度TI的定義為脈動(dòng)速度均方根 σ與平均風(fēng)速之比：

式中：u、v、w分別為流向、橫風(fēng)向和垂直向的瞬時(shí)速度，u′、v′、w′為相應(yīng)的脈動(dòng)速度。

在風(fēng)工程研究中，多數(shù)僅關(guān)注流向湍流強(qiáng)度TIu。但實(shí)際上，橫風(fēng)向和垂直向也存在湍流強(qiáng)度，且具有各向異性的特點(diǎn)，一般TIu>TIv>TIw。在風(fēng)力機(jī)相關(guān)計(jì)算中，不同國家采用的湍流強(qiáng)度計(jì)算模型不同。例如，丹麥設(shè)計(jì)規(guī)范中使用的公式相對簡單：

與之不同，IEC規(guī)范中給出：

式中：TI15為 平均風(fēng)速Vˉ=15m/s時(shí)所對應(yīng)的湍流強(qiáng)度值。需要說明的是，上述模型均假設(shè)大氣呈中性穩(wěn)定狀態(tài)，不存在熱力效應(yīng)，湍流強(qiáng)度只與地面粗糙度相關(guān)。此外，文獻(xiàn)[21]中給出了考慮大氣穩(wěn)定度因素的湍流強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：i=u,v,w；Au=1.99；Bu=0.33；Cu=1.32。

上述討論主要針對近地層的湍流信息，而對于葉輪高度超過100 m的大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)，需考慮艾克曼層的湍流信息。Arya[22]給出了不穩(wěn)定大氣條件下艾克曼層的湍流強(qiáng)度計(jì)算公式：

由上可知，各湍流強(qiáng)度計(jì)算模型差別較大。這反映了實(shí)際風(fēng)場中湍流分布受熱力、地面摩擦和地形等局地環(huán)境的影響，缺乏明確的規(guī)律性。后續(xù)工作中應(yīng)針對大氣湍流開展深入研究，厘清影響湍流強(qiáng)度分布的關(guān)鍵因素和作用規(guī)律，建立耦合多參數(shù)的新型湍流強(qiáng)度計(jì)算模型。此外，湍流積分尺度和功率譜密度等參數(shù)與葉片非定常載荷計(jì)算、疲勞特性計(jì)算密切相關(guān)，一些相關(guān)模型參閱文獻(xiàn)[4]，這里不再贅述。

2.3 大氣穩(wěn)定度及其演變對風(fēng)資源的影響

相比于流體力學(xué)常規(guī)湍流，大氣邊界層內(nèi)的湍流成分除地表摩擦形成的動(dòng)力湍流之外，還包括太陽輻射造成的熱力湍流，形成了熱力—?jiǎng)恿︸詈?。對于平坦地形或近海等下墊面相對簡單的局地環(huán)境，熱力因素（反映為大氣穩(wěn)定度）是影響大氣湍流運(yùn)動(dòng)及特性的主要因素。在一天時(shí)間內(nèi)，隨著太陽輻射的強(qiáng)弱變化，地表加熱和冷卻的日循環(huán)會(huì)引起大氣層結(jié)經(jīng)歷不穩(wěn)定—弱不穩(wěn)定—近中性—弱穩(wěn)定—穩(wěn)定的連續(xù)性演變過程（圖7所示），這也是大氣邊界層的典型特征之一。具體而言：1）白天近地面形成不穩(wěn)定的對流混合層，邊界層厚度可達(dá)上千米；湍流活動(dòng)劇烈且呈現(xiàn)有組織的大渦結(jié)構(gòu)，垂直方向的強(qiáng)對流促使風(fēng)速近似均勻分布。2）夜晚則相反，近地面形成穩(wěn)定的逆溫層，而上部仍然保持白天混合層的特征（被稱為殘余層），邊界層厚度僅有數(shù)百米；湍流受到抑制，渦的尺度相對較小，風(fēng)切變現(xiàn)象顯著。3）在黎明和黃昏的過渡時(shí)間段，大氣呈中性狀態(tài)，湍流主要來源于下墊面剪切作用。因此，開展大氣穩(wěn)定度的日周期演變研究，探索其對湍流運(yùn)動(dòng)機(jī)制及風(fēng)資源時(shí)空分布的影響規(guī)律，可進(jìn)一步提升風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的預(yù)測精度和準(zhǔn)度。

圖7 陸上高壓區(qū)大氣穩(wěn)定度及邊界層結(jié)構(gòu)的日變化示意圖Fig. 7 Diurnal variation of the atmospheric stability and the ABL structure for overland regions

大氣邊界層的高精度預(yù)測問題一直是氣象和風(fēng)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。外場測量方面，2015年美國能源部資助的XPIA大型項(xiàng)目[23]，重點(diǎn)開展了新型大氣邊界層測量技術(shù)研究，并通過大量測量數(shù)據(jù)量化了實(shí)驗(yàn)不確定性。Ferreres等[24]基于外場測量信息，分析了穩(wěn)定大氣邊界層內(nèi)的相干結(jié)構(gòu)、孤立波、重力波、低空急流等典型/復(fù)雜大氣現(xiàn)象。

相比于外場實(shí)驗(yàn)的局限性，數(shù)值模擬是一種更為靈活的研究手段。其中，大渦模擬（LES）在大氣邊界層的高精度、高可靠性研究中得到了廣泛應(yīng)用。1972年，Deardorff[25]首次采用LES對中性和不穩(wěn)定ABL開展了數(shù)值仿真研究。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，2000年左右LES方法被嘗試用于穩(wěn)定大氣研究[26]。除上述典型大氣穩(wěn)定度研究之外，Englberger等[27]針對清晨和傍晚等時(shí)間段的大氣狀態(tài)開展了仿真研究。

然而，以上研究均關(guān)注準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)（表面熱通量恒定）的大氣狀態(tài)，忽略了現(xiàn)實(shí)中隨太陽輻射強(qiáng)弱變化而實(shí)時(shí)發(fā)生的大氣穩(wěn)定度連續(xù)演變。對此，文獻(xiàn)[27-31]開展了一天時(shí)間內(nèi)的大氣穩(wěn)定度連續(xù)過渡和演變研究，例如Basu等[28]采用LES方法還原了Wangara外場實(shí)測到的ABL日周期演變過程；2017年，F(xiàn)ekih等[30]采用中尺度氣象模式WRF再現(xiàn)了沙漠地區(qū)干燥ABL的垂直結(jié)構(gòu)和晝夜演變；2018年，Englberger等[32]采用課題組研發(fā)的地球物理解算器EULAG開展了均質(zhì)和非均質(zhì)地貌條件下的ABL演變仿真研究；最近，Tian等[31]采用LES方法模擬ABL的日周期演變并重點(diǎn)分析了各典型時(shí)間段的風(fēng)資源分布情況（如圖8所示），以此開展了大氣穩(wěn)定度對風(fēng)力機(jī)發(fā)電量的影響研究。總體而言，國內(nèi)外相關(guān)研究尚處于起步階段，需要更進(jìn)一步的深入探索。

圖8 日周期內(nèi)不同高度位置的風(fēng)資源信息演變（LES仿真）[31]Fig. 8 Diurnal evolution of the wind resource at various altitudes(simulated by LES)[31]

大氣穩(wěn)定度對平均風(fēng)廓線的影響顯著，而廓線的較大差異性進(jìn)一步為入流條件設(shè)置帶來極大不便。已運(yùn)行風(fēng)電場的測風(fēng)數(shù)據(jù)表明[4]：若研究周期較短（如分鐘），風(fēng)速分布會(huì)隨測風(fēng)時(shí)段和高度等因素變化，很難用單一的風(fēng)速廓線描述每個(gè)周期的行為；但是，若把時(shí)間周期拉長（如天、月等），則可采用單一的風(fēng)速廓線表征較長周期的平均行為。在應(yīng)用方面，如果對于較長時(shí)間周期內(nèi)的風(fēng)工程特征參數(shù)（如年發(fā)電量）進(jìn)行評估，則經(jīng)過平均綜合的單一風(fēng)速廓線即可提供有效信息；但對于短時(shí)間周期（或?qū)崟r(shí)）的業(yè)務(wù)，如風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、載荷分析、發(fā)電量波動(dòng)分析等，單一的風(fēng)速廓線則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，應(yīng)具體問題具體分析，選取合適的風(fēng)資源輸入條件。

3 風(fēng)力機(jī)尾流

當(dāng)風(fēng)吹過風(fēng)力機(jī)時(shí)引起風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，完成風(fēng)動(dòng)能到風(fēng)輪機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。此時(shí)，風(fēng)力機(jī)下游出現(xiàn)風(fēng)速減小、湍流強(qiáng)度增大、風(fēng)剪切加劇等特征，被稱為尾流效應(yīng)。風(fēng)速減小使得下游機(jī)組的輸出功率降低，強(qiáng)湍流和附加的風(fēng)剪切會(huì)影響下游機(jī)組的疲勞載荷、結(jié)構(gòu)性能和使用壽命，進(jìn)而影響整個(gè)風(fēng)電場的運(yùn)營壽命。因此，開展風(fēng)力機(jī)尾流研究對風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與選型、風(fēng)電功率預(yù)測、機(jī)組布局優(yōu)化等各項(xiàng)工作具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對其上下游均會(huì)產(chǎn)生影響，據(jù)此，風(fēng)力機(jī)周圍的流場大致可分為三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的位置、大小及流動(dòng)特性歸納如表1及圖9所示。其中，誘導(dǎo)區(qū)衰減風(fēng)速可由Medici模型預(yù)測[33]；近尾跡區(qū)的旋渦結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含葉尖渦、葉根渦和輪轂渦等多尺度耦合渦系，且在向下游發(fā)展過程中不斷衰減和破碎；遠(yuǎn)尾跡區(qū)的尾渦破碎為小尺度湍流，促使尾流內(nèi)的低速流體與外部自由流不斷進(jìn)行交換，促進(jìn)虧損的速度逐步恢復(fù)。下文詳細(xì)介紹近尾流和遠(yuǎn)尾流區(qū)的研究方法及進(jìn)展。

表1 風(fēng)力機(jī)周圍流場的特點(diǎn)Table 1 Flow characteristics around a wind turbine

圖9 風(fēng)力機(jī)周圍流場區(qū)及各區(qū)域典型特性示意圖Fig. 9 Schematic of flow regions around a wind turbine and their characteristics

3.1 近尾流

3.1.1 集中渦系（葉尖、葉根、輪轂渦）

近尾跡流場結(jié)構(gòu)是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測的基礎(chǔ)，而集中渦（包含葉根中心渦、葉尖螺旋自由渦和附著渦）的存在和發(fā)展是近尾流結(jié)構(gòu)的重要特征，如圖10所示，其誘導(dǎo)速度以一定的周期規(guī)律性作用于尾流流場[34]。對于當(dāng)前主流的三葉片風(fēng)力機(jī)，上述渦以三倍于旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪頻率的速度脫落。研究表明，葉尖渦形成的螺旋線的螺距（兩個(gè)連續(xù)渦旋之間的流向距離）遠(yuǎn)大于葉根渦，且二者均隨葉尖速比的增大而減小。前人針對葉尖/葉根渦的發(fā)展、演變和穩(wěn)定性等方面開展了廣泛的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，詳見綜述文獻(xiàn)[8]。這些工作豐富了對風(fēng)力機(jī)尾渦的認(rèn)識(shí)，一定程度上揭示了風(fēng)力機(jī)近尾流的流動(dòng)機(jī)理。其中，Porté-Agel等[8]學(xué)者發(fā)現(xiàn)：葉尖渦會(huì)降低近尾流區(qū)的動(dòng)量夾卷效應(yīng)（即虧損尾流與外部自由流的動(dòng)量交換）；葉尖渦具有很好的持久性，是產(chǎn)生流動(dòng)阻力、氣動(dòng)噪聲和不穩(wěn)定的主要原因。因此，有必要研究葉尖渦的發(fā)展破碎機(jī)制，為近尾流區(qū)氣動(dòng)特性及模型的建立提供參考，同時(shí)為解決風(fēng)力機(jī)的降噪問題提供基礎(chǔ)。

圖10 風(fēng)力機(jī)下游葉尖和葉根渦發(fā)展演變示意圖[34]Fig. 10 Schematic of the tip and root vortices evolution downstream the wind turbine[34]

風(fēng)力機(jī)近尾跡區(qū)的氣動(dòng)特性，一方面可通過PIV風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)獲取詳細(xì)的區(qū)域流場數(shù)據(jù)，據(jù)此深入了解流場結(jié)構(gòu)和流動(dòng)機(jī)理[35]；另一方面也可通過數(shù)值仿真模擬葉尖渦的產(chǎn)生和初期發(fā)展情況，以及分析葉尖渦對葉片繞流的誘導(dǎo)作用。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方面，文獻(xiàn)[8，36-37]采用高分辨率PIV系統(tǒng)可視化捕捉了葉尖渦的位置、形態(tài)等非定常信息，并指出葉尖渦在其統(tǒng)計(jì)平均位置附近隨機(jī)波動(dòng)（被稱為尾渦蜿蜒或尾渦抖動(dòng)），波動(dòng)幅值隨渦齡或湍流強(qiáng)度的增加而增大。汪建文等[36]開展了葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡研究，通過高頻PIV系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了葉尖渦“交互跳躍”現(xiàn)象，基本規(guī)律為隨葉尖速比增加而提前發(fā)生，隨風(fēng)速增加推后發(fā)生。值得一提的是，基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Lignarolo等[38]提出了葉尖渦失穩(wěn)和破碎機(jī)制，并分析了其對尾流混合和湍流生成演化過程的影響，此外還系統(tǒng)研究了尾渦不穩(wěn)定的觸發(fā)因素。近年來，隨著實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)的進(jìn)步，Abraham等[39]在外場環(huán)境下采用人工降雪式的超大規(guī)模PIV技術(shù)研究了機(jī)艙和塔架產(chǎn)生的流動(dòng)結(jié)構(gòu)對2.5 MW風(fēng)力機(jī)近尾流的影響。

在數(shù)值模擬方面，根據(jù)研究側(cè)重點(diǎn)與風(fēng)輪建模方法的不同可分為兩大類研究。當(dāng)以近尾流和葉尖渦與風(fēng)力機(jī)本身相互作用為研究重心時(shí)，宜采用全尺寸風(fēng)輪建模方法（Full Rotor，F(xiàn)R）直接捕捉葉片實(shí)際繞流及葉尖渦演變過程。例如，鐘偉等[40]模擬了風(fēng)力機(jī)葉片的繞流和尾流，分析了葉尖渦的生成、發(fā)展過程及對葉片的速度誘導(dǎo)作用；Huang等[41]采用FR/LES方法研究了襟翼對風(fēng)力機(jī)尾渦不穩(wěn)定性的影響，探索流動(dòng)控制的有效性。另一大類，當(dāng)以風(fēng)力機(jī)尾渦在下游的演變歷程及其對近尾跡流場分布的影響為研究重心時(shí)，宜采用致動(dòng)系列方法捕捉尾渦在風(fēng)力機(jī)下游的發(fā)展演變過程。比如，S?rensen等[42]采用AL/LES方法研究了尾渦的穩(wěn)定性以及近尾流區(qū)的特征范圍；Sarmast等[43]以AL/LES方法為工具，從機(jī)理層面探索了觸發(fā)尾渦不穩(wěn)定性的機(jī)制。文獻(xiàn)[18]指出，在剪切來流和小尖速比條件下，由于來流的剪切作用和尾流區(qū)葉尖渦附近剪切層的存在，葉尖渦發(fā)生不穩(wěn)定破壞，呈現(xiàn)開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性現(xiàn)象。除此之外，近期的一些研究表明[39]，機(jī)艙或塔架產(chǎn)生的尾渦對葉尖渦具有摻混作用，會(huì)加速葉尖渦的發(fā)展，引起尾流的蜿蜒運(yùn)動(dòng)。對此，郜志騰等[44]開展了考慮機(jī)艙和塔架作用的改進(jìn)型IB-AL方法構(gòu)造研究。

3.1.2 流場分布xn/D的預(yù)測模型：

為了描述近尾流區(qū)的平均流場分布，Bastankhah等[45]提出了如下假設(shè)：尾流中心區(qū)速度相同而外圍剪切層中速度各異；在向下游發(fā)展過程中剪切層范圍不斷擴(kuò)張膨脹，直至在尾流中心發(fā)生混合，標(biāo)志著近尾流區(qū)基本結(jié)束，如圖9所示。尾流區(qū)的長度取決于大氣湍流強(qiáng)度、風(fēng)輪氣動(dòng)特性和葉尖加速比等特征參數(shù)。2015年，S?rensen等[46]提出了近尾流區(qū)長度

此外，Keane等[47]提出了風(fēng)力機(jī)近尾跡區(qū)速度分布預(yù)測模型；Hulsman等[48]開展了近尾流區(qū)速度和湍動(dòng)能分布仿真研究，并建立了相應(yīng)的工程模型?？傮w而言，由于近尾流區(qū)流場結(jié)構(gòu)和流動(dòng)現(xiàn)象復(fù)雜，呈現(xiàn)顯著的非定常特點(diǎn)，工程模型很難反映全面的流動(dòng)信息。

3.2 遠(yuǎn)尾流

大型風(fēng)電場機(jī)組間距約為4D～12D（D為風(fēng)輪直徑），此時(shí)下游機(jī)組不可避免地處于上游機(jī)組的遠(yuǎn)尾流影響范圍之內(nèi)。因此，開展風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)尾流研究對于風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、風(fēng)電場發(fā)電量評估及微觀選址等工作有著重要的指導(dǎo)意義。為此，專家學(xué)者們相繼開展了廣泛的研究工作，包括外場測量、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算等。以下將從遠(yuǎn)尾流平均場和湍流場特性兩個(gè)方面，就涉及到的研究方法及數(shù)十年研究進(jìn)展進(jìn)行論述。

3.2.1 平均流場特性

單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流研究常采用均勻理想流和考慮風(fēng)切變的大氣湍流兩種入流條件，其中，前者對應(yīng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)工況，后者與真實(shí)大氣環(huán)境更為相符。當(dāng)假定入流均勻時(shí)，鈍體尾流理論及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明：尾流速度虧損沿流向以x?2/3的趨勢減小，尾流寬度以x?1/3的趨勢增大；速度沿橫風(fēng)向具有高度自相似性，呈軸對稱的高斯分布。而在真實(shí)大氣條件下，受地面剪切應(yīng)力和大氣相干湍流結(jié)構(gòu)影響，速度分布不再是高斯分布，但速度虧損量仍具有高度自相似特性。這些發(fā)現(xiàn)為工程尾流模型的開發(fā)提供了有力依據(jù)。學(xué)者們從一維到二維再到三維、從考慮單影響因素到考慮綜合多因素（如地表粗糙度、入流湍流強(qiáng)度、大氣穩(wěn)定度、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性等），相繼提出了Jensen、Frandsen、Ainslie、Ishihara、Barthelmie、Tian、BP和Sun等模型[8，49-50]，并通過相應(yīng)算例進(jìn)行了模型的校核驗(yàn)證工作。特別地，Archer等[50]在綜述性論文中全面校核了6種工程尾流模型在大型風(fēng)電場發(fā)電量評估中的預(yù)測精度?？紤]到解析模型的便捷性，學(xué)者[51-52]還將其應(yīng)用于大型風(fēng)電場發(fā)電量評估及機(jī)組布局優(yōu)化研究工作。

另外，相關(guān)學(xué)者還開展了外場測量和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等諸多工作，積累了寶貴的尾流數(shù)據(jù)庫。比較著名的外場實(shí)驗(yàn)包括90年代前后開展的Tj?reborg、Nibe和Sexbierum等實(shí)驗(yàn)，主要測量了風(fēng)力機(jī)近和遠(yuǎn)尾流區(qū)的速度和湍流等流場信息。此外，1985至1992年之間，國際能源署IEA Wind還組建了Task 9計(jì)劃—“風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)強(qiáng)化研究”，旨在通過外場測量進(jìn)一步加深對風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)的理解和認(rèn)識(shí)。2000年后，依托于日趨先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備，陸續(xù)開展了大量的風(fēng)力機(jī)尾流外場測量實(shí)驗(yàn)研究，各工作的實(shí)驗(yàn)周期、測量手段、特色及主要貢獻(xiàn)等可參閱綜述文獻(xiàn)[53]。

相比于外場測試需要耗費(fèi)巨大的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。Chamorro等[54]采用熱線風(fēng)速儀測量了近尾流區(qū)和遠(yuǎn)尾流區(qū)（直至15D）的流場分布（包含速度、湍流強(qiáng)度和剪切力等信息），之后被當(dāng)作標(biāo)模實(shí)驗(yàn)廣泛應(yīng)用于尾流數(shù)值方法的驗(yàn)證。此外，文獻(xiàn)[55-56]通過改變風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況（如俯仰角、偏航角），開展了上游機(jī)組的尾流效應(yīng)對下游機(jī)組性能的影響研究，結(jié)果表明：偏航會(huì)引起尾流的偏轉(zhuǎn)和不對稱，使得上游機(jī)組對下游機(jī)組的尾流干擾效應(yīng)減弱，從而下游機(jī)組的功率相應(yīng)得到提高；但當(dāng)偏航角增大到一定程度后，上游機(jī)組的功率會(huì)有一定的損失，此時(shí)應(yīng)尋找最佳偏航角滿足二者的平衡。這些研究為風(fēng)電場功率優(yōu)化與控制工作提供了參考與指導(dǎo)，具有重要的工程價(jià)值。除常規(guī)采用的中性大氣條件之外，文獻(xiàn)[57-58]還通過改變地表溫度來形成穩(wěn)定/不穩(wěn)定大氣條件，開展了大氣穩(wěn)定度對遠(yuǎn)尾流速度分布及對下游機(jī)組發(fā)電量的影響研究。

雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對真實(shí)可靠，但存在成本高昂、不能提供全流場信息等問題，而數(shù)值模擬在計(jì)算成本、精度和信息全面性等方面達(dá)到了較好的平衡，因此CFD作為一種重要工具，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)尾流研究，并取得了豐富的成果[8，59]。CFD的計(jì)算精度主要依賴于兩個(gè)部分：一是對風(fēng)輪本身的模擬，即采用合適的模型模擬風(fēng)力機(jī)的存在及其對周圍大氣產(chǎn)生的影響；二是選取合適的湍流模擬方法準(zhǔn)確體現(xiàn)大氣湍流、尾流湍流等。在風(fēng)輪建模方面，目前可歸納為全尺寸直接模擬和致動(dòng)系列兩類方法[46]。全尺寸直接模擬是圍繞葉片幾何外形生成計(jì)算網(wǎng)格，然后求解流動(dòng)方程以捕捉葉片繞流流場，進(jìn)而計(jì)算風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能。為了精細(xì)體現(xiàn)葉片幾何特征及解析葉片表面邊界層流動(dòng)，通常需要數(shù)千萬網(wǎng)格才能滿足需求，計(jì)算成本較高。致動(dòng)類方法則放棄對葉片局部流場的精細(xì)再現(xiàn)，采用虛擬體積力（基于葉素動(dòng)量理論）代替葉片作用于流場，大幅降低了網(wǎng)格生成難度及網(wǎng)格量。其中，全尺寸直接模擬適用于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能求解，可詳細(xì)捕捉葉片周圍流體的流動(dòng)細(xì)節(jié)，進(jìn)而開展壓力場、渦量場等流動(dòng)參數(shù)的分析，是研究流動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)。致動(dòng)類方法則可將較多的計(jì)算資源用于風(fēng)力機(jī)尾流的捕捉，因此比較適用于尾跡流場計(jì)算。特別是對于含數(shù)十上百臺(tái)機(jī)組的大型風(fēng)電場流場模擬，致動(dòng)類方法的優(yōu)勢更為突出。

計(jì)算能力及關(guān)注點(diǎn)是計(jì)算方法選擇的重要依據(jù)，學(xué)者們根據(jù)現(xiàn)狀和需求開展了不同難易程度的尾流研究。比如，以LES高精度湍流模擬方法為基本框架，Mo等[60]采用FR風(fēng)輪模型、Martínez-Tossas等[48]選取AL風(fēng)輪模型、S?rensen等[46]選用AD模型，分別對風(fēng)力機(jī)近尾流和遠(yuǎn)尾流開展了仿真研究。此外，以RANS方法為湍流模擬框架，Nedjari等[61]分別采用FR風(fēng)輪模型、AD模型等重點(diǎn)開展了風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)尾流模擬研究，并通過多個(gè)測試算例對比了兩種風(fēng)輪模型的計(jì)算精度。最近，Qian等[62]選取AL風(fēng)輪模型，分別結(jié)合PANS（Partially-RANS）和LES兩類湍流模擬方法，對風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)力機(jī)縮比模型開展了尾流仿真研究，結(jié)果如圖11所示，并全面分析了PANS與LES方法的精度差異。

圖11 兩種湍流模擬方法（PANS和LES）計(jì)算到的風(fēng)力機(jī)輪轂高度平面渦量圖[62]Fig. 11 Vorticity contours at the hub-height horizontal section obtained from PANS and LES [62]

目前，國內(nèi)外CFD屆普遍認(rèn)為，在未來的20至50年，基于湍流模型的RANS方法仍然是風(fēng)力機(jī)CFD研究的主流[63-64]。然而，大量研究表明，各經(jīng)典湍流模型存在不同的問題，如k-ε模型預(yù)測到的近尾跡區(qū)擴(kuò)散效應(yīng)太強(qiáng)，SSTk-ω模型預(yù)測到的遠(yuǎn)尾流速度恢復(fù)能力不足等。針對這個(gè)問題，學(xué)者們相繼開展了經(jīng)典湍流模型的精度校核和改進(jìn)工作，詳見文獻(xiàn)[65-69]。特別地，Nguyen等[70]和Tian等[65，71]系統(tǒng)對比研究了經(jīng)典的EVM和RSM模型，結(jié)果均表明RSM模型在風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性和尾流預(yù)測方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性。遺憾的是，至今RSM模型的使用尚不廣泛，且目前尚未顯示出普遍性、壓倒性的優(yōu)勢。后續(xù)仍需進(jìn)一步深入研究，探索最能反映風(fēng)力機(jī)尾流物理特性的湍流模型和數(shù)值模擬方法。

3.2.2 湍流場特性

不同于受葉片氣動(dòng)外形影響的近尾跡區(qū)，遠(yuǎn)尾流區(qū)的流動(dòng)主要受湍流主導(dǎo)。湍流主要包含三個(gè)方面：大氣湍流（來自于粗糙地表和大氣熱力效應(yīng)）、尾流湍流（來自于葉尖和葉根渦的破碎）、機(jī)械湍流（來自于葉片、機(jī)艙和塔架等氣流阻礙物）。雖然湍流有著增加風(fēng)力機(jī)疲勞載荷和影響風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)性能的負(fù)面作用，但同時(shí)也有著促進(jìn)尾流與自由流動(dòng)量交換，加快尾流恢復(fù)的正面作用。因此，開展遠(yuǎn)尾流區(qū)湍流特性研究十分必要。

1996年，Crespo等[72]對尾流區(qū)湍流特性的演變進(jìn)行了分析，并提出了用于估算湍動(dòng)能k及其耗散率ε的解析模型，此外還給出了風(fēng)力機(jī)近尾流區(qū)和遠(yuǎn)尾流區(qū)的湍流強(qiáng)度計(jì)算模型。Barlas等[73]研究了遠(yuǎn)尾流區(qū)湍流通量分布，預(yù)測了從外部自由流中夾卷到尾流中心的動(dòng)量大小。2014年，Aitken等[74]采用多普勒激光雷達(dá)測量了尾流區(qū)的流動(dòng)分布信息，并分析了大氣穩(wěn)定度、風(fēng)速和湍流強(qiáng)度等因素對尾流湍流的影響。2019年，Ahmadi等[75]基于AL/LES重點(diǎn)研究了湍動(dòng)能和湍流強(qiáng)度在下游的分布情況。此外，湍動(dòng)能分布能夠體現(xiàn)湍流的生成和輸送，文獻(xiàn)中[8，76]對此開展了定性和定量研究。

湍流強(qiáng)度是密切影響風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的重要參數(shù)。Frandsen于2007年提出了因尾流效應(yīng)增加的湍流強(qiáng)度 ?TI的計(jì)算公 式[8]：

式中：TIwake、TI0分別為尾流區(qū)和入流的湍流強(qiáng)度。已有研究表明[8]，在橫風(fēng)向或垂直向兩個(gè)維度上，當(dāng)采用均勻入流工況時(shí)，TIwake近似呈高斯分布，且最強(qiáng)湍流（即高斯分布的“峰值”）發(fā)生在尾流半徑位置；當(dāng)采用考慮風(fēng)切變的真實(shí)大氣入流時(shí)，橫風(fēng)向與均勻入流工況的結(jié)果類似，而在垂直向上，最強(qiáng)湍流通常發(fā)生在最高的葉尖位置，輪轂高度以下的湍流被明顯抑制。在流向這個(gè)維度上，葉尖繞流產(chǎn)生的剪切層區(qū)（即近尾流區(qū)）TIwake較強(qiáng)，而在遠(yuǎn)尾流區(qū)湍流強(qiáng)度逐漸減小，直到恢復(fù)至入流水平?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、高精度數(shù)值模擬結(jié)果，研究者們假定 ?TI與入流湍流強(qiáng)度、風(fēng)力機(jī)推力系數(shù)和下游距離x等因素相關(guān)，相繼提出了Quarton、Hassan、Crespo、Xie and Archer和Qian等湍流強(qiáng)度模型[8]。這些模型較為相似，均具有一維特性，且預(yù)測到的近尾流湍流強(qiáng)度較實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏高，后續(xù)仍較大的改進(jìn)空間。

3.3 尾流蜿蜒效應(yīng)

尾流蜿蜒是指風(fēng)輪尾跡相對于時(shí)均尾跡中心線呈現(xiàn)出的非穩(wěn)態(tài)隨機(jī)振蕩現(xiàn)象（如圖12所示），這種現(xiàn)象會(huì)造成湍流效應(yīng)增強(qiáng)，從而對下游機(jī)組產(chǎn)生較強(qiáng)的不穩(wěn)定載荷。尾流蜿蜒特性的研究有助于進(jìn)一步明確上游風(fēng)力機(jī)的尾流效應(yīng)對下游風(fēng)力機(jī)的影響。研究表明，造成尾流蜿蜒效應(yīng)的主要機(jī)制為[77]：旋渦的周期性脫落、大氣湍流中的大尺度旋渦與尾渦不穩(wěn)定性。針對第一種機(jī)制，Larsen等[78]認(rèn)為尾流中大于2D的湍流相干結(jié)構(gòu)容易引起尾流蜿蜒現(xiàn)象，而小尺度渦結(jié)構(gòu)則有利于虧損尾流的恢復(fù)。Espa?a等[79]指出，尾流在橫風(fēng)向的蜿蜒程度大于其在垂直方向上的蜿蜒程度。為了快速準(zhǔn)確地反映真實(shí)尾流中的蜿蜒現(xiàn)象，Larsen等[80]開發(fā)了動(dòng)態(tài)尾流模型（DWM）；Keck等[81]開展了DWM模型的改進(jìn)和驗(yàn)證工作，并開發(fā)了風(fēng)電場設(shè)計(jì)和分析工程工具 FAST.Farm，用于預(yù)測風(fēng)電場輸出功率和風(fēng)力機(jī)載荷；Zhang等[82]提出了動(dòng)態(tài)隨機(jī)尾流模型，不僅可以給出常規(guī)靜態(tài)尾流模型的平均信息，還可提供尾流場統(tǒng)計(jì)分布特性。

圖12 風(fēng)力機(jī)尾流蜿蜒示意圖[18]Fig. 12 Schematic of the meandering motion of a wind turbine wake[18]

尾渦剪切層的不穩(wěn)定性也會(huì)促進(jìn)尾流蜿蜒運(yùn)動(dòng)的形成。Chamorro等[83]通過水槽實(shí)驗(yàn)觀察到水輪機(jī)機(jī)艙后旋渦與葉尖剪切層的交互作用造成了尾流蜿蜒。Foti等[84]發(fā)現(xiàn)了機(jī)艙尾渦對遠(yuǎn)尾流蜿蜒的影響，并指出蜿蜒效應(yīng)廣泛存在于不同尺度的風(fēng)力機(jī)尾流中。Yang等[85]考慮機(jī)艙作用提出了改進(jìn)致動(dòng)面模型，結(jié)果表明，若不考慮機(jī)艙模型，尾流蜿蜒效應(yīng)會(huì)被低估。Foti等[86]在Horns Rev風(fēng)電場的尾流研究中發(fā)現(xiàn)，機(jī)艙對風(fēng)電場內(nèi)的混合尾流蜿蜒有顯著影響。張旭耀等[18]探討了均勻流、剪切流和低空急流等不同來流條件對風(fēng)力機(jī)尾流蜿蜒特性的影響。

3.4 偏航對尾流的影響

事實(shí)上，風(fēng)力機(jī)并非時(shí)刻處于對風(fēng)工況，反而受控制策略的影響常處于輕度偏航狀態(tài)。當(dāng)上游機(jī)組處于偏航工況時(shí)，其尾流發(fā)生偏移，從而影響下游機(jī)組的輸出功率。近期的一些數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究[87-88]表明，通過偏航角控制可以顯著提高風(fēng)電場的總發(fā)電量；此外，Kragh等[89]指出，偏航控制還可有效降低風(fēng)輪載荷。因此，研究偏航工況下風(fēng)力機(jī)的尾流特性具有重要意義。

Medici等[90]開展了偏航條件下的尾流分布和尾流傾斜程度研究，結(jié)果表明，偏航角度、風(fēng)輪推力系數(shù)和大氣穩(wěn)定度的提高，均會(huì)增大尾流的偏斜度。Shapiro等[91]采用升力線理論預(yù)測了近尾流偏斜角大小。而當(dāng)處于大偏航工況時(shí)，受尾流中反向旋轉(zhuǎn)渦對的影響，尾流除發(fā)生橫向偏移外，還會(huì)產(chǎn)生垂直向偏移。此外，考慮偏航角對風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)尾流的影響，Bastankhah等[45]提出了新型遠(yuǎn)尾流速度分布模型。類似地，Qian等[92]也提出了適用于偏航風(fēng)力機(jī)的尾流工程模型并開展了校核研究。

3.5 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的尾流研究

針對單臺(tái)風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)尾流特性，前人從特性分析、機(jī)理研究和工程建模等多個(gè)不同層面，從尾流膨脹、尾流蜿蜒和尾流偏移等多個(gè)物理現(xiàn)象出發(fā)，開展了大量實(shí)驗(yàn)和仿真研究。此外，近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如支持向量機(jī)SVM、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN等）在風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性及尾流預(yù)測方面逐步得到應(yīng)用。

例如，Biswas等[93]通過ANN方法建立尾流區(qū)回歸關(guān)系，評估了風(fēng)力機(jī)（包括功率、扭矩曲線等在內(nèi)）的性能。Iungo等[94]基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的降階模式提出了一種尾流模型，準(zhǔn)確預(yù)測了尾流演變過程及非定常屬性。2020年，Ti等[95]基于ANN結(jié)合CFD方法建立了高精度、高效率的風(fēng)力機(jī)尾流預(yù)測模型。隨后，Ali等[96]基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)/風(fēng)電場流場的非定常實(shí)時(shí)預(yù)測。最近，Zhang等[97]基于非定常流體系統(tǒng)降階建模法，建立了新型動(dòng)態(tài)尾流模型（計(jì)算結(jié)果與SOWFA數(shù)值模擬結(jié)果對比如圖13所示），該方法在數(shù)秒內(nèi)完成了9臺(tái)風(fēng)力機(jī)混合尾流場的非定常預(yù)測，相較于常規(guī)CFD算法（預(yù)計(jì)消耗數(shù)萬個(gè)CPU時(shí)）大大降低了計(jì)算成本?？傮w而言，機(jī)器學(xué)習(xí)方法當(dāng)前在尾流預(yù)測的應(yīng)用有限，后續(xù)研究中有望得到進(jìn)一步加強(qiáng)和普及。

圖13 SOWFA和深度學(xué)習(xí)模型POD-LSTM計(jì)算到的兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流相互干擾[97]Fig. 13 SOWFA and POD-LSTM model prediction for the wake interaction between two wind turbines[97]

4 風(fēng)電場混合流場

風(fēng)電場是風(fēng)力機(jī)機(jī)組安裝和運(yùn)行所依托的載體。隨著單機(jī)容量、風(fēng)輪直徑以及裝機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，如何準(zhǔn)確、高效地評估或預(yù)測大規(guī)模風(fēng)電場的尾流特性及輸出功率，是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。由于風(fēng)力機(jī)集群與大氣邊界層的相互影響，大型風(fēng)電場的尾流場有著與單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流場完全不同的特點(diǎn)。以平坦地形風(fēng)電場為例，其尾流場可劃分為幾個(gè)典型區(qū)域，如圖14所示。

圖14 考慮大氣穩(wěn)定度因素的風(fēng)電場尾流場發(fā)展演變過程及其與大氣邊界層的相互作用示意圖（根據(jù)文獻(xiàn)[8]重繪）Fig. 14 Schematic of the wind farm wake region evolution and its interaction with a stratified ABL (adapted from reference [8])

每個(gè)典型區(qū)的流動(dòng)特征概括如下。

1）誘導(dǎo)區(qū)：由于機(jī)組的阻塞作用，導(dǎo)致風(fēng)電場的近上游風(fēng)速減小，風(fēng)向還會(huì)發(fā)生垂直向及側(cè)向的偏轉(zhuǎn)。外場測量及數(shù)值模擬表明[98]，在近中性大氣條件下，風(fēng)電場上游2.5D位置處風(fēng)速較自由流降低約3%。誘導(dǎo)區(qū)大小范圍取決于多種因素，如風(fēng)電場規(guī)模、風(fēng)電場布局、風(fēng)資源分布、機(jī)組氣動(dòng)特性等。

2）入口與初步發(fā)展區(qū)：多臺(tái)機(jī)組的尾流混合與膨脹，在上層形成大氣內(nèi)邊界層，進(jìn)而影響大氣邊界層（ABL）整體結(jié)構(gòu)及湍流通量。研究表明，內(nèi)邊界層高度與下游距離x近似呈x4/5的關(guān)系，在下游逐漸發(fā)展直至達(dá)到ABL高度；然后從更上層的自由大氣中夾卷一定的動(dòng)量，與ABL在垂直方向共同擴(kuò)張。

3）充分發(fā)展區(qū)：此時(shí)混合尾流場與ABL的相互作用達(dá)到近乎平衡狀態(tài)，即機(jī)組吸收轉(zhuǎn)化的風(fēng)能與垂直向的誘導(dǎo)動(dòng)量近似相等。Calaf等[99]指出風(fēng)電場下游δ量級（δ為大氣邊界層高度）距離后即為充分發(fā)展區(qū)；與之不同的是，Wu等[100]基于LES模擬結(jié)果表明，中性大氣下，風(fēng)電場下游10δ量級乃至更遠(yuǎn)的距離才可達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

4）風(fēng)電場尾流區(qū)：多臺(tái)機(jī)組混合尾流產(chǎn)生的速度虧損在該區(qū)域逐漸恢復(fù)至來流水平，通常尾流區(qū)范圍可延伸5～20 km。

5）出口區(qū)：Wu等[100]研究表明，在某些特殊大氣條件下（如具有顯著分層效應(yīng)的中性大氣），由于風(fēng)電場尾流區(qū)垂直方向的動(dòng)量交換及偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，可能會(huì)激發(fā)重力波并向上游傳播，形成的一段流動(dòng)加速區(qū)，定義為出口區(qū)。

大氣湍流/機(jī)組尾流的多尺度、非定常效應(yīng)使得大型風(fēng)電場流場及與ABL相互作用的預(yù)測頗具挑戰(zhàn)。研究人員通過理論分析、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場測量和數(shù)值模擬等方法，圍繞多項(xiàng)研究主題相繼開展了大量研究工作。下文將針對風(fēng)工程領(lǐng)域關(guān)注的主要內(nèi)容及取得的研究進(jìn)展進(jìn)行陳述與討論。

4.1 風(fēng)電場流場研究

風(fēng)電場發(fā)電量是評價(jià)風(fēng)電場項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)指標(biāo)，也是尾流模擬中衡量計(jì)算模型精度的重要參數(shù)。國際上相繼開展了典型風(fēng)電場（包含大型、小型、陸上、海上）發(fā)電量的外場測量研究，以期更全面、真實(shí)地體現(xiàn)風(fēng)電場運(yùn)行環(huán)境，摸索大氣條件及機(jī)組運(yùn)行條件對發(fā)電功率的影響規(guī)律，同時(shí)為數(shù)值計(jì)算提供豐富的測試數(shù)據(jù)庫。其中，應(yīng)用較為廣泛的案例有：Horns Rev海上風(fēng)電場Ⅰ和Ⅱ期、丹麥Nysted和Anholt海上風(fēng)電場、英國Westermost Rough和London Array海上風(fēng)電場、瑞典Lillgrund海上風(fēng)電場、德國Alpha Ventus海上風(fēng)電場、丹麥N?rrek?r Enge 陸上風(fēng)電場、蘇格蘭Myres山地風(fēng)電場、美國Goodnoe和Iowa陸上及山地風(fēng)電場、中國東潮間帶和東灣風(fēng)電場等。更為詳細(xì)的風(fēng)電場情況介紹可參閱綜述性文獻(xiàn)[39，59]。下文選取幾個(gè)有代表性的案例進(jìn)行簡單說明。

2003年，Barthelmie等[101]首次采用聲雷達(dá)測量了Vindeby海上風(fēng)電場的尾流場，結(jié)果證明了聲雷達(dá)的測量有效性以及工程尾流模型快速計(jì)算的有效性。2009年，Barthelmie等[102]采用數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)對Horns Rev海上風(fēng)電場進(jìn)行了為期三年的觀測來進(jìn)行風(fēng)電場的尾流效應(yīng)研究。該觀測數(shù)據(jù)在后續(xù)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)尾流計(jì)算方法的驗(yàn)證，測試結(jié)果如圖15所示[82]。2010年，學(xué)者針對Alpha Ventus風(fēng)電場[53]進(jìn)行了激光雷達(dá)測量，并考慮了大氣穩(wěn)定度的影響，研究發(fā)現(xiàn)：穩(wěn)定大氣條件下的尾流效應(yīng)更為顯著，相應(yīng)的風(fēng)電場總發(fā)電功率也相對偏低。

圖15 基于風(fēng)場測量數(shù)據(jù)的數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證：Horns Rev海上風(fēng)電場總發(fā)電功率與風(fēng)向之間的關(guān)系[59]Fig. 15 Validation of numerical methods based on wind farm measured data: total power output as a function of the incoming wind direction for the Horns Rev wind farm[59]

中國作為世界風(fēng)電大國，同樣對陸上/海上風(fēng)電場進(jìn)行了外場測量研究。2017年，采用SCADA系統(tǒng)對江蘇風(fēng)電場（如東潮間帶風(fēng)電場）進(jìn)行了尾流場測量實(shí)驗(yàn)[103]，以期將相關(guān)成果應(yīng)用于機(jī)組的偏航控制優(yōu)化研究。總體而言，我國風(fēng)電場研究相較于歐洲等國家起步較晚，系統(tǒng)性的長期測量工作開展較少，因此可供數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相對匱乏。并且，我國風(fēng)電場所處的氣象和地形條件具有自身的特殊性，國外的研究方法及結(jié)論可能并不完全適用。因此，后續(xù)應(yīng)大力發(fā)展能夠滿足本地需求的風(fēng)電場尾流研究方法和技術(shù)。

風(fēng)電場尾流效應(yīng)計(jì)算方法可分為：CFD方法、中尺度氣象預(yù)報(bào)模擬（NWP）方法、CFD/NWP耦合方法、工程模型快速預(yù)測方法。與外場測量方法相比，數(shù)值計(jì)算方法對風(fēng)電場流場特性評估分析具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在風(fēng)工程研究中發(fā)揮了不可替代的重要作用。

在CFD方法中，研究人員多數(shù)采用RANS或LES湍流模擬方法對風(fēng)電場流場進(jìn)行數(shù)值模擬。如Avila等[104]開發(fā)了基于AD/RANS方法的陸上/海上風(fēng)電場尾流模擬框架， Tabib等[105]采用AL/RANS方法開展了復(fù)雜地形風(fēng)電場流動(dòng)研究。類似地，大多數(shù)風(fēng)電企業(yè)也是采用基于RANS模型的商業(yè)軟件開展相關(guān)業(yè)務(wù)。除此之外，由于LES方法能夠揭示風(fēng)電場三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步挖掘其中的流動(dòng)機(jī)理，一些學(xué)者采用LES方法結(jié)合致動(dòng)類風(fēng)輪模型進(jìn)行風(fēng)電場流場模擬。例如，瑞士學(xué)者Port-Agel及其團(tuán)隊(duì)[8，106-107]一直以來致力于風(fēng)能領(lǐng)域大渦模擬框架的搭建開發(fā)，并據(jù)此開展了大量的風(fēng)電場流動(dòng)模擬工作；美國學(xué)者M(jìn)eneveau及其團(tuán)隊(duì)[59，108-109]廣泛開展了湍流建模和多尺度流場模擬研究，尤其是闡明了風(fēng)電場復(fù)雜流動(dòng)所涉及的尾流湍流機(jī)理及其與大氣湍流之間的相互作用機(jī)理等，并基于此建立了系列工程模型，能更準(zhǔn)確地預(yù)測大型風(fēng)電場發(fā)電量的評估與設(shè)計(jì)。此外，英國學(xué)者Früh等[110-111]基于LES框架模擬分析了大氣環(huán)境與風(fēng)電場湍流之間的關(guān)系以及來流條件對機(jī)組尾流演變與機(jī)組性能的影響，加深了對風(fēng)電場流動(dòng)機(jī)理的理解，有助于工程尾流模型的完善和改進(jìn)；Stieren等[112]選取AD/LES方法開展了非定常動(dòng)態(tài)風(fēng)向?qū)Υ笮惋L(fēng)電場功率性能的影響研究；Goit等[113]基于AD/LES方法開展了大型風(fēng)電場的垂直向動(dòng)量輸運(yùn)效應(yīng)（結(jié)果如圖16所示）及控制方案優(yōu)化研究。

圖16 AD/LES計(jì)算得到的大型風(fēng)場垂直動(dòng)量輸運(yùn)效應(yīng)（小圓盤代表風(fēng)力機(jī)）[113]Fig. 16 AD/LES computed vertical momentum transport effect for a large wind farm (wind turbines are represented by small white disks)[113]

真實(shí)環(huán)境下，風(fēng)電場運(yùn)行在大氣邊界層的近地層與艾克曼層之間，其內(nèi)的大氣物理過程容易受到中尺度天氣系統(tǒng)的影響。為此，學(xué)者們從中尺度角度開展了風(fēng)電場流動(dòng)及其與大氣湍流的相互作用研究。在研究過程中，風(fēng)電機(jī)組的建模成為關(guān)鍵。風(fēng)電機(jī)組的建模主要有兩大類方法：一是將風(fēng)電場視為地表粗糙度的增量，該方法可用于近似定性評估超大型風(fēng)電場/風(fēng)電基地對大氣的作用，但在這種方法中，由于將風(fēng)力機(jī)視為一個(gè)個(gè)粗糙元的物理假設(shè)，計(jì)算網(wǎng)格較為粗糙，較難反映整個(gè)風(fēng)電場內(nèi)的流動(dòng)細(xì)節(jié)，在實(shí)際中應(yīng)用較少；二是將風(fēng)電場視為大氣動(dòng)量的匯及湍動(dòng)能產(chǎn)生的源，建立風(fēng)電場參數(shù)化模型，該方法能夠較好地再現(xiàn)風(fēng)電場與ABL的相互影響，這種方法多數(shù)被嵌入NWP氣象模式以形成中尺度風(fēng)電場流動(dòng)模擬方案，在實(shí)際工程中得到了普遍應(yīng)用。

比較突出的風(fēng)電場建模工作有：Baidya Roy等[114]最早提出了風(fēng)電場參數(shù)化建模思想，并在此后被諸多學(xué)者采用；Abkar等[115]提出了一種新型參數(shù)化模型，能夠全尺度求解風(fēng)力機(jī)周圍空間的平均風(fēng)速，且可表征機(jī)組布局和風(fēng)向等因素的影響。在該方面的相關(guān)研究概述詳見文獻(xiàn)[13]。在此基礎(chǔ)上，其他學(xué)者開展了基于NWP模式的風(fēng)電場中尺度流動(dòng)計(jì)算。2017年，Yuan等[116]首次利用高網(wǎng)格分辨率下的WRF（Weather Research and Forecast）模式再現(xiàn)了中國某陸上風(fēng)電場的尾流效應(yīng)和輸出功率特性（如圖17所示），并基于獲取的風(fēng)電場實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了氣象要素和輸出功率的驗(yàn)證分析，結(jié)果表明，風(fēng)電場功率預(yù)測的相對均方根誤差為6.91%，證明了計(jì)算方法的有效性。同年，Lee等[117]采用WRF模式對歐洲某大型風(fēng)電場（含200臺(tái)機(jī)組）在連續(xù)四個(gè)晝夜周期內(nèi)的發(fā)電量進(jìn)行預(yù)測研究，并重點(diǎn)分析了WRF模式中參數(shù)配置的敏感性，尋找最合適的參數(shù)設(shè)置方案，為將來更準(zhǔn)確的風(fēng)電場發(fā)電量預(yù)測奠定基礎(chǔ)。2018年，王姝等[118]使用中尺度數(shù)值模式WRF和Fitch參數(shù)化建模方法，以鄱陽湖地區(qū)風(fēng)電場為例，解析了不同大氣穩(wěn)定度情況下多種機(jī)組排布配置對風(fēng)電場尾流效應(yīng)的強(qiáng)度、作用范圍、風(fēng)能利用效率的影響。2019年，Mangara等[119]探究了不同水平與垂直分辨率下，模式對某陸上風(fēng)電場湍流尾流動(dòng)力過程的模擬效果，以及對局地天氣尺度系統(tǒng)的影響。2020年，王強(qiáng)[13]以中國張北風(fēng)電基地為研究對象，探究了大型風(fēng)電場的尾流效應(yīng)強(qiáng)度和影響范圍、風(fēng)電場輸出功率特性等。隨著風(fēng)電場的規(guī)?；l(fā)展以及NWP模式技術(shù)的完善，基于中尺度的數(shù)值模擬將發(fā)揮更大的作用。

圖17 基于中尺度WRF模式計(jì)算得到的風(fēng)電場尾流場速度分布云圖[115]Fig. 17 Velocity contours of the wind farm wake flow field computed by the WRF model[115]

除上述數(shù)值模擬之外，當(dāng)前，尾流模型（也稱為工程模型、解析模型）以計(jì)算速度的絕對優(yōu)勢及可接受的計(jì)算精度，在風(fēng)電場工程中應(yīng)用最為廣泛。風(fēng)電場中的混合尾流非常復(fù)雜，尾流模型主要描述混合尾流對ABL流場結(jié)構(gòu)的干擾以及最后穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的邊界層內(nèi)速度型分布，大概可以歸納為兩類：“自下而上”模型以及“自上而下”模型[120]。

“自下而上”模型，其基本思想為：在前文所述的單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合混合疊加模型，體現(xiàn)多臺(tái)機(jī)組尾流的綜合效果。對此，學(xué)者們相繼提出了一系列尾流疊加模型，如Lissaman模型、Katic模型、Voutsinas模型、Niayifar模型等。這些模型的不同之處主要體現(xiàn)在尾流疊加準(zhǔn)則和尾流速度虧損基準(zhǔn)兩個(gè)方面，具體公式可參閱文獻(xiàn)[8，59，121]的歸納總結(jié)。其中，Park風(fēng)電場尾流模型（由適用于單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流預(yù)測的Jensen模型與Katic尾流疊加模型組合而成）被廣泛應(yīng)用于風(fēng)工程項(xiàng)目和學(xué)術(shù)研究，且作為核心技術(shù)被植入到商業(yè)軟件（風(fēng)能資源評估與風(fēng)電場設(shè)計(jì)軟件WAsP、WindFarmer、WindPRO等），還作為核心算法被用于大型風(fēng)電場發(fā)電量預(yù)測及風(fēng)電場機(jī)組布局優(yōu)化等學(xué)術(shù)研究[122]。然而，多數(shù)“自下而上”的尾流模型僅能預(yù)測風(fēng)輪高度位置處的風(fēng)資源分布情況，屬于一維/二維水平空間的尾流計(jì)算方法，忽略了垂直方向上與大氣邊界層結(jié)構(gòu)/大氣湍流的相互作用。

對于大型風(fēng)電場/風(fēng)電基地而言，需同時(shí)考慮尾流在水平和垂直空間范圍內(nèi)的充分發(fā)展，此時(shí)“自下而上”模型存在一定的局限性。對此，學(xué)者們先后提出了Newman、Frandsen、Calaf、Meneveau、Stevens等一系列“自上而下”尾流模型[59]。其中，Pe?a等[123]考慮大氣穩(wěn)定度對風(fēng)速廓線的影響，提出的風(fēng)電場尾流模型成為當(dāng)前應(yīng)用較多的模型之一。如圖18所示，“自上而下”模型的基本思想是將風(fēng)電場視為表面有效粗糙度，從垂直空間考慮因風(fēng)電場的存在而造成的大氣邊界層結(jié)構(gòu)改變及相應(yīng)的動(dòng)量/風(fēng)資源分布規(guī)律的改變。從圖中可以看出，由于機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的推力使得邊界層在 [zhub–D/2,zhub+D/2] 范圍內(nèi)承受一定的阻力作用，因此邊界層被切割成了多個(gè)屬性不同的垂直區(qū)域，各層區(qū)域之間通過速度連續(xù)及動(dòng)量守恒等物理原則進(jìn)行約束，即，可由已知的基礎(chǔ)參數(shù)推算得到其他參數(shù)的表達(dá)式，詳細(xì)公式推導(dǎo)及介紹可參閱綜述性文獻(xiàn)[8，59]。除空間速度分布之外，F(xiàn)randsen等[124]提出了風(fēng)電場整體湍流強(qiáng)度計(jì)算模型，可用于快速評估機(jī)組運(yùn)行導(dǎo)致的湍流強(qiáng)度增加情況。整體而言，這類模型在風(fēng)電場尾流模擬中應(yīng)用較少，比較適用于研究大型風(fēng)電場/風(fēng)電基地對大氣邊界層特性的影響。

圖18 經(jīng)典“自上而下”模型的原理示意圖[8]Fig. 18 Principle diagram of classical top-down models[8]

另外，其他學(xué)者還開展了“自下而上”模型與“自上而下”模型的耦合研究，旨在綜合兩類方法的優(yōu)勢。相關(guān)研究及進(jìn)展不再贅述，詳見綜述性文獻(xiàn)[60，125]。

除上述常規(guī)方法之外，對于風(fēng)電場微觀選址、風(fēng)電場優(yōu)化控制等需要大量流場計(jì)算的風(fēng)工程業(yè)務(wù)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的代理模型方法可利用有限的訓(xùn)練樣本實(shí)現(xiàn)流場信息的快速準(zhǔn)確模擬，成為了新的研究熱點(diǎn)。例如，Iungo等[94]提出了一種嵌入卡爾曼濾波器的降階模型，有效捕捉了風(fēng)力機(jī)尾流動(dòng)態(tài)演變過程中的主要物理過程，特別適用于大型風(fēng)電場的實(shí)時(shí)預(yù)測、控制和優(yōu)化；Khosravi等[126]基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法開展了巴西某風(fēng)電場的短期風(fēng)速預(yù)測，為風(fēng)電場發(fā)電量的智能管理及并網(wǎng)提供了重要參考依據(jù)；Optis等[127]建立了適用不同大氣條件的風(fēng)電場發(fā)電量統(tǒng)計(jì)模型；沈惟舟[128]基于美國某風(fēng)場的歷史實(shí)測數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，針對不同預(yù)測尺度采用不同的預(yù)測模型和方法，開展了風(fēng)功率預(yù)測研究；苗宜之[129]提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的混合預(yù)測模型，對風(fēng)電場集群的功率波動(dòng)特性及控制策略進(jìn)行了研究?？傮w來說，研究工作尚處于起步探索階段，目前仍缺乏可公開獲取的風(fēng)電場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)供算法驗(yàn)證與分析使用。

4.2 風(fēng)電場發(fā)電量快速評估及微觀選址

風(fēng)電場微觀選址作為風(fēng)工程運(yùn)行的前提基礎(chǔ)，是決定項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益及成敗的關(guān)鍵。微觀選址是指，在擬定風(fēng)場區(qū)域合理布置各機(jī)組的安裝位置，確保整個(gè)風(fēng)電場達(dá)到最大收益的過程，同時(shí)也是在風(fēng)電場內(nèi)進(jìn)行更高分辨率的風(fēng)資源分析和機(jī)組布局優(yōu)化的過程。

早期的風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)過程中，主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合《風(fēng)電場工程技術(shù)手冊》開展機(jī)組布局工作。根據(jù)建議，沿主導(dǎo)風(fēng)向機(jī)組間隔5D～9D、橫風(fēng)向間距3D～5D，以盡量減少尾流損失。對于平坦地形風(fēng)電場，常常有兩種布局方式：一是串列式（下游風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線與上游機(jī)組的軸線重合），二是交錯(cuò)式（近似梅花型，即下游風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線與上游機(jī)組的軸線平行）。近期開展的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和LES研究結(jié)果表明[8]：一方面，由于“有效風(fēng)輪間距”的增大，交錯(cuò)式排布相對減少了上游風(fēng)力機(jī)尾流的影響；另一方面，串列式排布可以從上層自由大氣中夾卷更多的能量，有助于尾流的恢復(fù)。因此，哪種排布方式更有助于提升風(fēng)電場整體發(fā)電量需根據(jù)具體問題具體分析。此外，需要說明的是，風(fēng)向?qū)︼L(fēng)電場的“有效布局”及流場分布有著重大影響，入流風(fēng)向的改變等效于風(fēng)電場布局以及機(jī)組密度的改變。例如，Horns Rev海上風(fēng)電場的測量數(shù)據(jù)表明[107]，在風(fēng)向?yàn)?70°時(shí)，機(jī)組呈串列布局且機(jī)組間距較小，此時(shí)風(fēng)電場發(fā)電量最?。欢?dāng)風(fēng)向發(fā)生較小的改變（為270°±10°）時(shí)，機(jī)組“有效間距”增大，此時(shí)風(fēng)電場的發(fā)電量達(dá)到最大（如圖15所示）。同樣地，Stevens等[59]也指出僅10°的風(fēng)向變化即可引起風(fēng)電場發(fā)電量的較大差異，說明了風(fēng)電場發(fā)電量對風(fēng)向高度敏感。因此，在風(fēng)工程項(xiàng)目中應(yīng)考慮風(fēng)向年際變化的不確定性及發(fā)電量的風(fēng)向敏感度。

目前風(fēng)工程項(xiàng)目中多采用商業(yè)軟件，如WAsP、WindFarmer、MeteodynWT、WindSim等，進(jìn)行風(fēng)電場發(fā)電量計(jì)算和微觀選址工作。但使用過程中，很大程度上依賴于風(fēng)電工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來擬定初步機(jī)組位置然后進(jìn)行微調(diào)，優(yōu)化策略不足，很難保證可以得到經(jīng)濟(jì)性最好的布機(jī)方案。為了得到普適的優(yōu)化方案，學(xué)者們針對風(fēng)電場機(jī)組布局優(yōu)化開展了大量研究[130-132]，主要策略是采用單目標(biāo)/多目標(biāo)優(yōu)化算法（如蒙特卡羅算法、模擬退火法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、布谷鳥算法等），綜合考慮投資成本、發(fā)電量、氣動(dòng)噪聲等多種目標(biāo)，以及電纜鋪設(shè)、交通規(guī)劃等多約束條件，開展機(jī)組布局優(yōu)化研究。

早在1994年，Mosetti等[133]開創(chuàng)性地將物理模型與優(yōu)化算法結(jié)合，開展了風(fēng)電機(jī)組布局優(yōu)化研究，突破了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式布機(jī)的局限，得到了科學(xué)合理的布機(jī)方案和更通用的優(yōu)化方法。之后，追隨Mosetti學(xué)者的做法，其他學(xué)者采用更為全面細(xì)致的優(yōu)化算法、優(yōu)化目標(biāo)和約束條件等，相繼開展了大量類似研究[130-132，134-136]。較為典型的工作有：Abdollahzadeh等[137]既考慮了綜合成本最低，又將風(fēng)電場內(nèi)的電網(wǎng)損失電量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，開展了機(jī)組位置多目標(biāo)優(yōu)化研究；Cao等[138]考慮機(jī)組的噪聲輻射問題，開發(fā)了新型風(fēng)電場布局設(shè)計(jì)方法，為布機(jī)優(yōu)化工作提供了新思路；Shakoor等[135]綜述了機(jī)組布局優(yōu)化研究中所采用的各類尾流模型，并通過對比分析指出，Jensen尾流模型較好地兼顧精度和效率，是最佳的選擇。

另外，隨著風(fēng)電開發(fā)環(huán)境日趨復(fù)雜，機(jī)組和塔筒等風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)品日益豐富，風(fēng)電場設(shè)計(jì)組合方案增多。相應(yīng)地，一些學(xué)者開展了多種機(jī)組產(chǎn)品型號與輪轂高度組合的混排研究。例如，文獻(xiàn)[139-140]基于場址內(nèi)風(fēng)剪切差異較大的優(yōu)勢，研究了不同輪轂高度的機(jī)組混排策略及其對項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性提升的效果。Feng等132]研究了“非均勻”風(fēng)電場優(yōu)化設(shè)計(jì)，即風(fēng)電場內(nèi)混合布置不同機(jī)型、不同輪轂高度的機(jī)組，這種布局方式可以更充分地利用風(fēng)能資源，降低發(fā)電成本，正在成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。Guo等[136]考慮現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的風(fēng)能條件（大氣穩(wěn)定度因素），獲得了更有效、可靠的機(jī)組優(yōu)化布局方案。最近，Reddy[122]公布了開源的風(fēng)電場機(jī)組布局優(yōu)化代碼WindFLO，可在考慮實(shí)際地形和風(fēng)資源條件的情況下，進(jìn)行機(jī)組布局及類型（包括風(fēng)輪直徑及輪轂高度）優(yōu)化，達(dá)到項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性最佳的目的。此外，Reddy[141]還采用支持向量機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，開展了小規(guī)模風(fēng)電場基地（隸屬于不同業(yè)主的風(fēng)電場集合）的機(jī)組排布優(yōu)化研究，結(jié)果如圖19所示（圖中不同顏色代表不同的風(fēng)電場）?？傮w而言，隨著物理模型的完善及優(yōu)化算法的改進(jìn)，相關(guān)優(yōu)化研究愈加注重風(fēng)電場設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、精細(xì)化與高效性，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場全生命周期成本最低。

圖19 優(yōu)化后的風(fēng)電場機(jī)組布局分布圖[141]Fig. 19 Wind farm layout after optimization[141]

國內(nèi)方面，2011年，田琳琳等[142]基于小生境遺傳算法對風(fēng)力機(jī)機(jī)組布局進(jìn)行了優(yōu)化；2013年，宋夢譞等[143]提出了快速計(jì)算風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)的虛擬粒子模型和優(yōu)化風(fēng)力機(jī)布局的仿生方法。近幾年，劉永前等[144]基于改進(jìn)二進(jìn)制螢火蟲算法開展了風(fēng)電場微觀選址優(yōu)化研究；邵振州[145]圍繞高精度尾流快速模擬方法及其在風(fēng)電場微觀選址和優(yōu)化控制中的應(yīng)用開展了研究。上述研究結(jié)果多數(shù)適用于海上及平坦陸上風(fēng)電場，而對于需考慮地形與風(fēng)力機(jī)尾流綜合效應(yīng)的復(fù)雜地形風(fēng)電場，上述方法或?qū)⑹АΥ?，許昌等[146]提出了一種在復(fù)雜地形下進(jìn)行風(fēng)電場微觀選址優(yōu)化的方法；田琳琳[147]通過CFD數(shù)值模擬分析，探討了在復(fù)雜地形微觀選址中的機(jī)組布局優(yōu)化策略和可行性。

綜上可知，國內(nèi)外學(xué)者針對風(fēng)電場微觀選址、機(jī)組布局優(yōu)化等進(jìn)行了大量研究，并取得了豐富的研究成果。但仍存在一些問題亟待進(jìn)一步完善，比如，滿足風(fēng)電場發(fā)電量精細(xì)化評估的尾流工程模型、高效且全面的優(yōu)化方案、全局與深度優(yōu)化算法、復(fù)雜入流/地形條件下的優(yōu)化策略等，以期獲得最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益、最低度電成本的整體解決方案，為風(fēng)電場項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)謀篇布局。

4.3 復(fù)雜大氣/復(fù)雜地形影響

比較理想的風(fēng)電場選址為開闊平坦的區(qū)域，其內(nèi)部流動(dòng)可以免受地形和障礙物的影響而得以充分發(fā)展。然而，隨著風(fēng)電近年來的迅猛發(fā)展，需要建設(shè)越來越多的風(fēng)電場，面臨一些新的問題。首先，風(fēng)電場的開發(fā)利用環(huán)境更多元化，如山區(qū)、丘陵等復(fù)雜地形、低風(fēng)速平原地區(qū)以及近海地區(qū)等特殊環(huán)境。其次，機(jī)組入流環(huán)境更加復(fù)雜，如隨大氣穩(wěn)定度而實(shí)時(shí)演變的非定常湍流風(fēng)、上游機(jī)組的偏航/動(dòng)態(tài)尾流、附帶垂直方向動(dòng)量夾卷效應(yīng)的大尺度湍流等。因此，對真實(shí)大氣環(huán)境下、復(fù)雜地形風(fēng)資源的建模與評估是未來風(fēng)電場開發(fā)與利用的重要任務(wù)[148]。

近年來，學(xué)者們逐漸意識(shí)到大氣穩(wěn)定度對風(fēng)力機(jī)/風(fēng)電場尾流的顯著影響，開始致力于還原真實(shí)的大氣入流條件。2014年，Mirocha等[149]采用中/小尺度模式耦合的方法實(shí)現(xiàn)了大氣湍流與風(fēng)力機(jī)尾流相互作用的模擬研究，為精確預(yù)測風(fēng)力機(jī)發(fā)電量與疲勞載荷走出了關(guān)鍵的一步。Kim等[150]基于外場測量數(shù)據(jù)，剖析了大氣主要要素（大氣穩(wěn)定度、湍流強(qiáng)度和風(fēng)切變）對風(fēng)力機(jī)性能及風(fēng)電場發(fā)電量的影響研究；結(jié)果表明大氣穩(wěn)定度對發(fā)電量的影響最為顯著，不同穩(wěn)定度條件下的發(fā)電量差距約為3%～4%。此外，文獻(xiàn)[31，151-152]考慮多尺度耦合（氣象中尺度和風(fēng)力機(jī)流場小尺度）、多物理過程耦合（大氣熱動(dòng)場和風(fēng)力機(jī)尾流場）等因素，開展了大氣邊界層/風(fēng)電場尾流場日周期演變的高精度模擬研究。結(jié)果表明，白天地表受太陽輻射而增溫，在近地面形成不穩(wěn)定的對流混合層，湍流活動(dòng)劇烈且運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)有組織的大渦結(jié)構(gòu)，有效促進(jìn)了對流交換及尾流恢復(fù)，風(fēng)電場發(fā)電量相對提升（對比于中性大氣條件下的結(jié)果）。夜晚則相反，地表由于長波輻射而冷卻，在近地面形成穩(wěn)定的逆溫層，抑制了湍流活動(dòng)，渦的尺度相對較?。粚?dǎo)致尾流同周圍自由流的動(dòng)量交換減弱，從而尾流恢復(fù)速度較慢，相應(yīng)地，風(fēng)電場發(fā)電量也相對較低。除上述宏觀特性（表現(xiàn)為整場發(fā)電量）之外，大氣穩(wěn)定度也會(huì)造成大氣/尾流微觀特性（如垂直向風(fēng)速廓線）的顯著差異，如低空急流現(xiàn)象（LLJ）的存在和位置。文獻(xiàn)[59]指出，大氣穩(wěn)定程度會(huì)增加LLJ的發(fā)生概率；若發(fā)生位置處于風(fēng)輪掃風(fēng)范圍內(nèi)，將會(huì)大幅提升機(jī)組發(fā)電功率，但同時(shí)由于LLJ上方非湍流而使得尾流恢復(fù)變慢。另外，在與大型風(fēng)電場的相互作用過程中，LLJ現(xiàn)象可能發(fā)生位置偏移等。Sharma等[153]發(fā)現(xiàn)若降低風(fēng)電場機(jī)組密度，LLJ將向上偏轉(zhuǎn)，使得夜間風(fēng)電場發(fā)電量小幅提高。

另一方面，近年來人們開始關(guān)注地形相對復(fù)雜、坡度相對陡峭的風(fēng)電場。當(dāng)風(fēng)經(jīng)過復(fù)雜地形風(fēng)場時(shí)，會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)分離、速度剪切、流動(dòng)不穩(wěn)定等復(fù)雜的非線性特征。此時(shí)，風(fēng)工程領(lǐng)域常用的商業(yè)微觀選址軟件如WAsP 和WindPRO等因自身假設(shè)的局限性不再適用。于是，針對山地風(fēng)場特性及風(fēng)資源預(yù)測，學(xué)者們提出了諸如外場實(shí)測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究手段。其中，基于外場實(shí)測數(shù)據(jù)的技術(shù)主要是指利用測風(fēng)塔、激光/聲雷達(dá)技術(shù)，通過地形插值算法得到目標(biāo)地區(qū)的風(fēng)速分布，從而進(jìn)行風(fēng)資源及風(fēng)電場發(fā)電量評估?？傮w而言，該方法可以獲取較為真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)信息且隨著科技進(jìn)步有很大的發(fā)展前景，但當(dāng)前所需時(shí)間和物質(zhì)成本較高且數(shù)據(jù)較為粗糙，存在一定的工程局限性[154]。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)對于山地風(fēng)場風(fēng)資源研究十分重要，主要用于風(fēng)速預(yù)測工程模型的建立及數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證，但多數(shù)僅針對一些簡單外形的山坡繞流。例如，早期，Ishihara等[155]采用熱線風(fēng)速儀對三維理想山地的迎風(fēng)面、山頂和背風(fēng)面的風(fēng)速及湍流強(qiáng)度進(jìn)行了測量，為后續(xù)的數(shù)值模擬研究提供了較為詳盡的對比分析數(shù)據(jù)；Conan Boris[156]研究了不同坡度的簡單山體繞流特性，并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了Bolund島和Alaiz山的風(fēng)資源分布情況；沈國輝等[157]采用基于眼鏡蛇測量儀的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法對某復(fù)雜山體的三維風(fēng)場特征進(jìn)行了分析研究，最后提出了復(fù)雜山體三維風(fēng)場的設(shè)計(jì)建議。

隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們針對理想或者真實(shí)山地風(fēng)場/風(fēng)電場開展了大量數(shù)值仿真研究，詳見綜述文獻(xiàn)[8，158]的介紹。其中，部分工作是針對風(fēng)場周圍的流動(dòng)分布情況，僅考察地形效應(yīng)對大氣流動(dòng)的影響。比如，2000年，Kim等[159]針對幾個(gè)典型的風(fēng)場如德國的Rhine山地、Askervein山地、Sirhowy山谷，測試了RANS方法的流動(dòng)分離/再附預(yù)測性能；Kjersti在其博士論文[160]中對某真實(shí)復(fù)雜地形風(fēng)電場的幾個(gè)典型剖面進(jìn)行數(shù)值模擬以及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，探討了不同入流條件（包括大氣湍流強(qiáng)度、流速、流向）、不同地表粗糙程度、不同地形坡度對流場的影響；2021年，Hu等[161]采用LES方法首先通過基礎(chǔ)算例—不同坡度的山丘地形流動(dòng)問題驗(yàn)證了數(shù)值算法的可靠性，然后將其應(yīng)用于某真實(shí)山地地形流動(dòng)研究。另外，還有一部分工作針對復(fù)雜地形風(fēng)電場（安裝了風(fēng)力機(jī)機(jī)組）內(nèi)的流動(dòng)分布及機(jī)組的發(fā)電量情況，考察地形效應(yīng)和尾流效應(yīng)同時(shí)發(fā)生時(shí)的綜合效應(yīng)。例如，Politis等[162]對包含43臺(tái)機(jī)組的復(fù)雜地形風(fēng)電場開展了仿真與實(shí)測的對比研究。Segalini等[163]通過線性化流動(dòng)方程，提出了一種復(fù)雜山地風(fēng)電場（兼顧機(jī)組和低緩坡度山地）的簡化方程，相較于常規(guī)CFD方法計(jì)算成本降低了約8倍。最近，Yang等[164]基于LES方法對美國某復(fù)雜風(fēng)電場開展了仿真研究，如圖20所示，在此過程中通過外場實(shí)測數(shù)據(jù)充分驗(yàn)證了仿真框架的計(jì)算精度。另外，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形風(fēng)電場流動(dòng)的快速預(yù)測，學(xué)者們[165-166]還提出了工程模型，基本思想是分別計(jì)算地形效應(yīng)和尾流效應(yīng)，然后將二者線性/非線性疊加得到風(fēng)電場的流動(dòng)分布情況；需要指出的是，該方法存在一定的局限性，僅適用于坡度相對緩和的地形條件。

圖20 考慮地形效應(yīng)計(jì)算得到的風(fēng)電場速度云圖 [164]Fig. 20 Velocity contour of the wind farm simulation with the terrain effect[164]

除上述常規(guī)CFD方法和工程建模之外，一些學(xué)者采用中尺度氣象模式研究復(fù)雜風(fēng)場的流動(dòng)特性。何曉鳳等[167]將中尺度氣象模式MM5和風(fēng)資源評估軟件WindSim相結(jié)合，較好地刻畫了鄱陽湖地區(qū)復(fù)雜地形條件下的局地風(fēng)況，10 m高度處的風(fēng)速模擬結(jié)果改善最明顯。隨著新技術(shù)的發(fā)展，Bodini等[168]以Perdig?o復(fù)雜地形的測風(fēng)塔數(shù)據(jù)為樣本，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法開展了湍流耗散率建模研究，進(jìn)一步增強(qiáng)了中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的計(jì)算精度。此外，部分學(xué)者還開展了數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量、多類復(fù)雜工況的混合研究，進(jìn)一步拓寬了研究思路。比如，Tang等[169]基于CFD技術(shù)并結(jié)合外場實(shí)測數(shù)據(jù)開展了復(fù)雜地形風(fēng)資源評估分析研究；最近，Radünz等[170]開展了融合復(fù)雜地形和大氣穩(wěn)定度日周期演變兩個(gè)關(guān)鍵要素的風(fēng)電場發(fā)電量外場測量研究。

4.4 海上風(fēng)電場

由于海洋蘊(yùn)含的風(fēng)能資源比陸地更加豐富，海上風(fēng)電成為世界風(fēng)電未來發(fā)展的重要方向。與陸上風(fēng)能相比，海上風(fēng)能具有風(fēng)速高、湍流強(qiáng)度低、風(fēng)切變小、風(fēng)向穩(wěn)定、日周期波動(dòng)幅度相對較小、環(huán)境生態(tài)友好等優(yōu)勢[3]，進(jìn)一步提升了海上風(fēng)電的容量系數(shù)高、可大規(guī)模發(fā)展、消納能力強(qiáng)等優(yōu)勢。然而，也同時(shí)存在著海上風(fēng)電場項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)的難度大、周期長、投資大（建設(shè)成本通常為陸上風(fēng)電場的1.5～2倍）等不足。當(dāng)前，海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢可歸納為：（1）海上風(fēng)電單機(jī)容量逐步提高，已進(jìn)入15 MW時(shí)代；（2）單個(gè)海上風(fēng)電場的容量越來越高，規(guī)模化開發(fā)趨勢凸顯；（3）風(fēng)電場深遠(yuǎn)?；l(fā)展，離岸距離和水深分別超過100 km和100 m。

風(fēng)資源評估是風(fēng)電場建設(shè)的前提和基礎(chǔ)。海風(fēng)有其自身特點(diǎn)，易受海面粗糙度、大氣穩(wěn)定度、潮位、水溫/氣溫、離岸距離等因素的影響。封宇等[171]根據(jù)近海測風(fēng)塔的實(shí)測資料，對海風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度等氣象參數(shù)的時(shí)空分布特點(diǎn)和垂直分布規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析，為海上風(fēng)電開發(fā)（如風(fēng)電場選址、控制和優(yōu)化調(diào)度）提供了有益參考。此外，由于海風(fēng)的環(huán)境湍流強(qiáng)度較弱，尾流與外層自由流的摻混作用減弱，葉尖渦將維持更長的時(shí)間，尾流效應(yīng)影響更加突出。 Barthelmie等[101]、Bastankhah等[172]開展了系統(tǒng)的風(fēng)電場尾流測量和數(shù)值模擬研究，并建立了適用于海上風(fēng)電的尾流工程模型。王俊等[173]以海上風(fēng)電場發(fā)電量最大化及風(fēng)電機(jī)組疲勞均勻?yàn)槎嗄繕?biāo)，通過變槳和偏航兩種策略，開展了尾流控制優(yōu)化研究，以期降低海上風(fēng)電場運(yùn)維成本。

近期發(fā)表于Nature旗下Scientific Reports期刊上的研究報(bào)告[174]中指出，隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速推進(jìn)，其規(guī)?；图夯_發(fā)也會(huì)帶來一些問題。例如，受淺水區(qū)優(yōu)質(zhì)風(fēng)力資源的推動(dòng)，北海成為世界范圍內(nèi)海上風(fēng)電場開發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)域之一。然而，Akhtar等 [174]學(xué)者通過海上測量及數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場的加快部署有可能導(dǎo)致氣候環(huán)境的改變及降低未來發(fā)電潛力。具體來說，一方面，海上風(fēng)電場的尾流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場內(nèi)年平均風(fēng)速虧損2～2.5 m/s，且尾流影響范圍延伸至下游35～40 km，同時(shí)如果相鄰風(fēng)電場距離較近，將導(dǎo)致下游風(fēng)電場的容量系數(shù)降低20%以上，造成經(jīng)濟(jì)效益的降低及風(fēng)資源的浪費(fèi)；另一方面，作者還指出北海的風(fēng)資源開發(fā)已經(jīng)對當(dāng)?shù)氐拇髿鈼l件（海洋響應(yīng)）產(chǎn)生了重大影響，且在這種趨勢還將未來繼續(xù)加??；因此，在后續(xù)的風(fēng)能開發(fā)過程中，需從全局著手，謹(jǐn)慎預(yù)估風(fēng)電開發(fā)的潛能及局限性。同樣地，Siedersleben等[175]的外場觀測結(jié)果表明，即使在風(fēng)電場下風(fēng)向60 km處，尾流效應(yīng)的影響仍然存在，造成該位置輪轂高度處的溫度升高0.5 ℃，濕度升高0.5 g/kg，由此帶來的環(huán)境影響值得引起思考和重視。

我國海上風(fēng)電正進(jìn)入快速發(fā)展階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年新增裝機(jī)容量超過3 GW（占世界新增裝機(jī)容量的50%），累計(jì)裝機(jī)容量也達(dá)到世界第二。但綜合來看，現(xiàn)階段我國海上風(fēng)電研究與建設(shè)與英國、丹麥、美國、德國等海上風(fēng)電強(qiáng)國相比，仍存在以下主要問題：發(fā)展起步較晚，尚處于探索階段；設(shè)計(jì)方法和軟件仍不成熟；在海上風(fēng)電場前期建設(shè)、中期運(yùn)行和后期修護(hù)等方面缺乏經(jīng)驗(yàn)。另外，目前我國海上風(fēng)電多數(shù)處于近海區(qū)域，后續(xù)隨著大規(guī)?；l(fā)展、集群化發(fā)展、向資源和儲(chǔ)量更好的遠(yuǎn)海發(fā)展，將涉及海上組網(wǎng)和輸送等難題，這些問題將嚴(yán)重制約海上風(fēng)電建設(shè)的健康快速發(fā)展。因此，在大規(guī)模啟動(dòng)海上風(fēng)電建設(shè)前，需要對海上風(fēng)電技術(shù)進(jìn)行足夠的研究和投入，特別是近海風(fēng)資源評估與分析、符合我國風(fēng)資源情況的海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)、漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)、海上風(fēng)電場施工與建設(shè)、海上風(fēng)電并網(wǎng)輸運(yùn)技術(shù)、海上風(fēng)電開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的制定等關(guān)鍵技術(shù)。

4.5 大型風(fēng)電場與大氣邊界層相互影響

為了保障大規(guī)模、大容量風(fēng)電場的高效開發(fā)，除了進(jìn)行局地風(fēng)電場尾流效應(yīng)評估外，還需從更大尺度空間范圍內(nèi)對其進(jìn)行流場分析。因此，大型風(fēng)電場與大氣邊界層的相互作用也成為近年來的新興研究熱點(diǎn)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值[12-13]。2019年，Veers等[9]發(fā)表在Science的文章綜述了風(fēng)能領(lǐng)域的幾個(gè)重要挑戰(zhàn)，其中第一條便是深入理解大氣與風(fēng)電場的流動(dòng)機(jī)理及其相互作用規(guī)律。在研究過程中，大氣邊界層對風(fēng)電場的作用主要關(guān)注機(jī)組的輸出功率和機(jī)械載荷兩個(gè)方面，而風(fēng)電場對大氣邊界層的作用主要集中于對大氣環(huán)境帶來的反饋?zhàn)饔茫ㄈ绠a(chǎn)生的巨大擾動(dòng)效應(yīng)可影響和改變局地邊界層的整體結(jié)構(gòu)和特性）。

大氣邊界層的高精度建模問題一直是氣象和風(fēng)能領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。局地環(huán)境的復(fù)雜多樣使得野外實(shí)驗(yàn)具有較大局限性，而數(shù)值模擬提供了一種較為靈活的研究手段。大氣運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜，通過將其加以分類進(jìn)行研究，產(chǎn)生了針對特定尺度和特定對象的數(shù)值模擬工具。中尺度（氣象尺度）模式能夠反映千米范圍內(nèi)氣象要素的發(fā)展演變過程，而低于千米尺度的運(yùn)動(dòng)則被參數(shù)化。中尺度模式中，WRF對風(fēng)速場和風(fēng)溫場等具有較高的模擬精度，應(yīng)用最廣。而目前風(fēng)力機(jī)的尺寸在百米量級，且風(fēng)力機(jī)流場存在多尺度耦合現(xiàn)象，最小的渦尺度約為毫米量級，此時(shí)WRF等中尺度模式將完全失效。小尺度模式主要是指計(jì)算流體力學(xué)模式，隨著計(jì)算技術(shù)及設(shè)備的快速發(fā)展，LES方法在風(fēng)能領(lǐng)域的高精度、高可靠性研究中得到了應(yīng)用。進(jìn)而，采用中尺度模式WRF耦合小尺度模式LES方法的思路，既能保證大氣邊界層的高精度仿真，又能確保風(fēng)力機(jī)尾渦研究的需求，成為較為理想的大氣邊界層環(huán)境下求解風(fēng)力機(jī)流場的技術(shù)手段，并已成功應(yīng)用于風(fēng)資源評估等工作。綜上可知，為了更加高效、準(zhǔn)確地再現(xiàn)風(fēng)電場內(nèi)不同尺度的流動(dòng)特性，應(yīng)采取與之相宜的模擬策略。

文獻(xiàn)[12-13，59]概述了風(fēng)電場開發(fā)過程所涉及的主要研究問題及對應(yīng)的常用模擬方法。根據(jù)研究對象的尺度，數(shù)值模擬方法大致分為三類：基于CFD的微尺度模擬、基于NWP模式的中尺度模擬、介于二者之間的介觀尺度模擬。其中，CFD相關(guān)研究進(jìn)展已在上文進(jìn)行介紹，此處不再贅述。另外，為了實(shí)現(xiàn)中尺度模式下風(fēng)電場與大氣邊界層相互干擾的探究，風(fēng)電場參數(shù)化建模成為關(guān)鍵，綜述性文獻(xiàn)[8]中列舉了學(xué)者們近年來相繼提出的風(fēng)電場參數(shù)化模型，并根據(jù)其理論基礎(chǔ)對這些方法進(jìn)行了更細(xì)致的梳理分類；此外，王強(qiáng)[13]在博士論文中也對相關(guān)方法進(jìn)行了類似歸納整理?？傊?，中尺度方法一方面基于NWP模式能夠提供真實(shí)的大氣背景，另一方面又能體現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的存在對周圍大氣的影響，所以非常適于風(fēng)電場/風(fēng)電基地尺度的流場預(yù)測與評估。例如，Siedersleben等[176]基于中尺度氣象模式針對大型海上風(fēng)電場流動(dòng)分布進(jìn)行了計(jì)算，并開展了相應(yīng)的尾流場測量（如風(fēng)速、溫度、壓力和濕度等），以評估幾類參數(shù)化模型的準(zhǔn)確性，并對計(jì)算網(wǎng)格分辨率及不同大氣穩(wěn)定度所對應(yīng)的參數(shù)選取給出了指導(dǎo)建議。類似地，Syed等[177]基于WRF模式開展了不同季節(jié)條件下的多個(gè)風(fēng)電場發(fā)電功率預(yù)測，得到的風(fēng)電場區(qū)域流動(dòng)分布情況如圖21所示。

圖21 基于WRF模式結(jié)合風(fēng)電場參數(shù)化建模方法預(yù)測到的風(fēng)電場某一高度平面Hhub = 80 m速度分布云圖[177]Fig. 21 Velocity contours at Hhub = 80 m of a wind farm prediced by the WRF model coupled with the wind farm parametric modelling[177]

NWP-CFD耦合模式兼?zhèn)渲谐叨饶Ｊ胶臀⒊叨饶Ｊ降膬?yōu)勢，在風(fēng)工程領(lǐng)域得到了開展與應(yīng)用。NWPCFD方法又可歸納為單向邊界傳遞法、動(dòng)力升/降尺度法、雙向耦合法三類[13]。其中，單向邊界傳遞法的核心思想是將中尺度NWP模式的輸出結(jié)果作為邊界條件或者體積力耦合至微尺度CFD，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中/微尺度流動(dòng)問題的初探性研究[178]。動(dòng)力升/降尺度方法的基本策略是在CFD模式中添加動(dòng)量源以體現(xiàn)大氣微物理過程，同時(shí)在NWP模式中利用網(wǎng)格嵌套技術(shù)考慮機(jī)組的存在及氣動(dòng)特性，從而實(shí)現(xiàn)對大氣湍流特性及風(fēng)電場機(jī)組氣動(dòng)特性的預(yù)測[179]。雙向耦合模型法最為直接和全面，其核心思想是綜合考慮中/微模式的時(shí)空巨大差異性，采用雙向網(wǎng)格嵌套技術(shù)，結(jié)合適配的時(shí)間處理方法，實(shí)現(xiàn)兩類模式的在線雙向耦合[180]。但總體而言，NWP-CFD耦合模式的開發(fā)與應(yīng)用仍存在諸多問題有待解決，如計(jì)算網(wǎng)格需求、跨尺度插值、物理模型匹配等方面。另外，由于公開測量數(shù)據(jù)的不足，相關(guān)的計(jì)算研究也缺乏相應(yīng)的驗(yàn)證分析，其可靠性和可行性仍需得到進(jìn)一步呢證明。

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）報(bào)告指出：到2050年，全球風(fēng)力發(fā)電將滿足20%以上的電力需求。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需要成百倍的建立風(fēng)電場。在這種發(fā)展需求及形勢下，亟待探索大規(guī)模風(fēng)電場的部署及運(yùn)行對生態(tài)環(huán)境和氣候的影響。研究表明，風(fēng)電場對氣候和環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是風(fēng)力機(jī)機(jī)組的安裝改變了局地原有的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度高度，阻滯作用將影響邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)及物質(zhì)能量輸運(yùn)形式；二是由于能量的吸收轉(zhuǎn)化，機(jī)組尾流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致大氣各種通量的改變，直接影響溫度、降水和風(fēng)速等氣象要素。早在2004年，美國哈佛大學(xué)Keith團(tuán)隊(duì)[181]就已關(guān)注到風(fēng)電場對氣候環(huán)境的影響。此后，其他國家也逐步開展了風(fēng)電場對局地及全球氣候變化影響的研究。王強(qiáng)[13]從計(jì)算方法、經(jīng)典算例、影響機(jī)理及存在的問題等方面詳細(xì)闡述了風(fēng)電場氣候效應(yīng)的研究進(jìn)展，此處不再贅述。總體而言，目前大多數(shù)研究集中于分析風(fēng)電場尾流效應(yīng)引發(fā)的局地氣象要素變化，少部分工作探究了大型風(fēng)電場/風(fēng)電基地對區(qū)域尺度氣候乃至全球氣候的影響等，多數(shù)研究結(jié)果表明，風(fēng)電場對地表溫度的影響呈現(xiàn)“晝降夜升”的規(guī)律且與大氣穩(wěn)定程度密切相關(guān)，不同規(guī)模風(fēng)電場引起的溫升范圍約為0.18～0.70 ℃，且溫升隨風(fēng)電場規(guī)模增大而增加[182]。

5 總結(jié)與未來研究展望

全球風(fēng)電已進(jìn)入迅速擴(kuò)張階段，相應(yīng)的風(fēng)力機(jī)技術(shù)也需蓬勃發(fā)展與革新。其中，空氣動(dòng)力學(xué)作為首要和關(guān)鍵問題，一直是風(fēng)力機(jī)技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文選取大氣邊界層、風(fēng)力機(jī)尾流、風(fēng)電場混合尾流等典型氣動(dòng)問題作為論述焦點(diǎn)，從外場測量、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬、工程建模和人工智能等研究方法著手，梳理和總結(jié)其中涉及的關(guān)鍵空氣動(dòng)力學(xué)問題及取得的重要研究進(jìn)展。主要內(nèi)容歸納如下：

1）大氣邊界層特性及湍流風(fēng)分布。以風(fēng)工程領(lǐng)域?qū)θ肓鳁l件的需求為側(cè)重，兼顧考慮風(fēng)力機(jī)的大型化發(fā)展趨勢，介紹了近地層和艾克曼層的大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其定量參數(shù)，整理了相關(guān)計(jì)算公式。另外，考慮大氣邊界層的顯著特征“大氣穩(wěn)定度”的日周期演變及其對風(fēng)資源的影響，綜述了有關(guān)大氣邊界層研究所面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題及取得的重要研究成果，明確了該領(lǐng)域的未來研究方向。

2）風(fēng)力機(jī)單尾流。分析了單臺(tái)風(fēng)力機(jī)尾流的顯著特點(diǎn)，著重評述了近尾流區(qū)和遠(yuǎn)尾流區(qū)的氣動(dòng)特性及相關(guān)研究方法。此外，針對兩種典型尾流現(xiàn)象（偏航尾流和尾流蜿蜒）進(jìn)行了討論，以更準(zhǔn)確地貼近現(xiàn)實(shí)尾流工況。最后，面向科技前沿，梳理了基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的風(fēng)力機(jī)尾流研究及進(jìn)展。

3）風(fēng)電場混合流場。歸納了風(fēng)電場內(nèi)混合尾流場的常規(guī)研究方法及取得的重要成果，針對風(fēng)電場微觀選址工作探討了如何準(zhǔn)確、高效地預(yù)測混合尾流效應(yīng)及其功率輸出。此外，考慮我國陸上風(fēng)電場多數(shù)位于丘陵或復(fù)雜山地的現(xiàn)狀以及大氣非定常演變的現(xiàn)實(shí)情況，梳理了復(fù)雜地形風(fēng)電場的相關(guān)研究成果。另外，還面向世界風(fēng)能開發(fā)的熱點(diǎn)—海上風(fēng)電，對其物理問題的特殊性進(jìn)行了分析。最后，針對今后大規(guī)模風(fēng)能開發(fā)利用過程中面臨的大型風(fēng)電場/風(fēng)電基地與大氣邊界層相互作用問題進(jìn)行了整理與評述。

基于上述關(guān)鍵問題，風(fēng)能工程空氣動(dòng)力學(xué)的后續(xù)研究方向和重點(diǎn)可歸納為：

1）入流方面，需重點(diǎn)開展外場真實(shí)復(fù)雜風(fēng)況的測量、仿真與建模研究，提供準(zhǔn)確可靠的機(jī)組運(yùn)行條件和工況；

2）對于風(fēng)能工程空氣動(dòng)力學(xué)的幾大類研究方法而言：數(shù)值模擬方面，繼續(xù)改進(jìn)、完善和發(fā)展不同尺度層面的物理模型，進(jìn)一步提高預(yù)測精度并擴(kuò)展適用性；工程模型方面，需綜合考慮多種相關(guān)影響因素，厘清其內(nèi)在關(guān)聯(lián)，充分利用實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)、高精度模擬手段、相關(guān)理論、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等，建立高效、準(zhǔn)確的算法供風(fēng)工程業(yè)務(wù)快速評估預(yù)測。

3）風(fēng)工程建設(shè)方面：在風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)之前，需開展綜合多因素的機(jī)組布局多目標(biāo)優(yōu)化，提升風(fēng)電場綜合經(jīng)濟(jì)效益；對于已投產(chǎn)的風(fēng)電場，需開發(fā)和改進(jìn)風(fēng)電場控制策略，設(shè)計(jì)諸如偏航/混排改造等綜合措施以緩解尾流對下游機(jī)組造成的影響，最大程度地提高風(fēng)電場整體性能。此外，在風(fēng)電場規(guī)?；_發(fā)利用過程中，還需對風(fēng)能高效轉(zhuǎn)化以及其對大氣環(huán)境的影響進(jìn)行全面、系統(tǒng)的評估。特別地，需針對我國特有的氣候和地理環(huán)境，來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)高效、可持續(xù)、環(huán)境友好型發(fā)展。

4）風(fēng)電并網(wǎng)方面，受復(fù)雜動(dòng)態(tài)入流的影響，風(fēng)電場輸出功率存在顯著的波動(dòng)性和間歇性，若將風(fēng)電并入電網(wǎng)，將會(huì)對大電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成不利影響，成為制約風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)的瓶頸。因此，需建立準(zhǔn)確、合理的風(fēng)力發(fā)電長/中/短期實(shí)時(shí)預(yù)測系統(tǒng)，綜合分析風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及工況條件，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備的高效、高可靠性運(yùn)行，促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電健康發(fā)展。