学术焦点：不平坦地形上的风力涡轮机和风电场尾流评估
在可持续发展的背景下，风能行业快速增长，导致陆上风电场和海上风电场的大规模安装。由于丘陵地区的疾风资源潜力很大，陆上风力涡轮机通常部署在复杂地形上。准确估计功率输出和涡轮机寿命是风力涡轮机及风电场设计和运行的重要方面。为此，必须预测湍流条件、风力涡轮机尾流恢复以及风电场中多台涡轮机尾流之间的相互作用。与平坦表面相比，位于复杂地形上（如山丘上）的风力涡轮机的尾流演变有很大的不同。仿真研究旨在优化复杂拓扑结构上的风电场布局，以实现高效的能量提取和最小的结构应力。
来自印度海得拉巴学院（IITH）的博士生Kingshuk Mondal在他的仿真工作中，重点研究了孤立风力涡轮机尾流的演变以及位于理想余弦形山丘上一排风力涡轮机的尾流相互作用。CONVERGE是该项研究使用的重要仿真工具，它可以模拟复杂几何形状中的流动，无需耗时进行网格生成，并且可以灵活使用一系列湍流闭合模型。此外，CONVERGE自适应网格细化功能可以把网格集中在流场大梯度区域。在本次研究中，使用了将动态Smagorinsky模型作为子网格尺度模型的大涡模拟（LES）方法。
首先，通过Chamorro等人（2009.1）的实验研究数据验证了平面上单个涡轮机模型并发现仿真结果和实验数据在趋势和数值上都相当一致。然后，模拟余弦山丘上的流动，气流在山丘的迎风坡上加速并在山顶达到最高速度，如图1(a)所示。这些区域的湍流强度（TI）和总剪切应力（TSS）比较低，是安装风力涡轮机的合适场所。山丘的背风侧会形成一个很长的尾流区，延伸至15个山丘高度。该区域的特点是TI和TSS增强，风势较低，不利于风力涡轮机的安装。
将风力涡轮机放置于山丘前面和顶部对山丘尾流有相似的影响。由于涡轮机尾流TI的影响，山丘后的尾流恢复速度更快。因此，如图1(b)所示，在山丘背风侧5个山丘距离后，可以观察到合理的风势。
考虑到上述研究结果，进一步沿着山丘放置一列5台风机（T1-T5），如图2所示。T3和T4分别放置在迎风坡和山顶，在最大程度上减少T1和T2对尾流的影响。
由于气流爬坡过程中会加速，T5被放置在山坡后约5H的距离外，以便获得合理的风势。除了有相当大的风输入外，T5还面临着高TI和高TSS，为了减少疲劳应力，必须加强T5的结构。这些结果如图3所示。
这一研究是复杂拓扑结构风电场布局优化的第一步。未来的工作将包括对多台涡轮机的不同工况以及各种拓扑结构上的流量进行严格验证。同时，还会评估优化布局的功率输出。
参考文献
[1] Chamorro, L. P., Fernando Porté-Agel, “A wind-tunnel investigation of wind-turbine wakes: boundary-layer turbulence effects,” Boundary-layer meteorology 132 (2009): 129-149, 2009.
