徐顺 赵伟文 万德成

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,船海计算水动力学研究中心(CMHL),上海 200240)

引言

近年来,传统化石能源的不可再生性以及对环境造成的污染,使其难以满足当今社会对能源的巨大需求.风能由于其无污染、可再生及储量大等特点逐渐成为最具发展潜力的新能源之一[1].2021 年全球风能报告指出[2],2020 年新增装机容量高达93 GW,同比增长53%.风能技术的不断进步,促使风机尺寸逐渐向大型化发展,并导致大气边界层(atmospheric boundary layer,ABL)复杂来流对风机的运行性能、疲劳载荷等方面产生恶劣影响.因此,研究大气边界层内风机的运行性能和力学特性具有重要意义.

目前,生成满足大气边界层复杂来流统计特性的方法主要有两种[3]:人工合成和域前模拟.人工合成的基本思想是在入口平面处基于严格的数学推导给出入流风速的计算公式.宁旭[4]采用谐波合成法生成了符合高雷诺数湍流能谱分布的随机风速序列,并将其应用于风机数值模拟.Huang等[5]提出了“DSRFG”方法,该方法生成的脉动风速场严格满足连续性条件且能够并行计算生成不同空间位置的风速时程.Castro 和 Paz[6]在“DSRFG”方法的基础上,通过引入时间尺度参数考虑了脉动风速场的时间相关性.但是,人工合成法给定的风速不能严格满足NS 方程,需沿下游发展一段距离才能获得符合统计特性的大气湍流风场.Xie等[7]对传统2D 涡方法进行了参数化研究,提出了改进的2D 涡方法,将符合湍流统计特性的下游……