自由流湍流与推力系数对风力发电机湍流床的影响

本研究探讨了自由流湍流（freestream turbulence，FST）与推力系数（$C_T$）的变化对风力发电机湍流床的影响。在 $C_T \in \{0.5, 0.7, 0.9\}$ 的条件下产生的湍流床，暴露于湍流输入中，湍流强度变化范围为 $1\% \lesssim TI_{\infty} \lesssim 11\%$，积分长度尺度范围为 $0.1 \lesssim \mathcal{L}_x/D \lesssim 2$（其中 $D$ 为转子直径）。对于高 $TI_{\infty}$ 的输入，观察到在湍流床 downstream 数个转子直径处存在一个流动区域，其中尽管湍流强度已与自由流均匀化，但平均动量损失持续存在，这挑战了传统的湍流床定义。识别出湍流床宽度演化中的一个“转折点”，此之后湍流床的扩散速率减慢。近场（$x/D \lesssim 7$）湍流床增长速率随 $TI_{\infty}$ 和 $C_T$ 的增大而上升，而远场（$x/D \gtrsim 15$）湍流床增长速率随 $TI_{\infty}$ 的增大而下降——这一发现对风力发电机湍流床建模具有深远影响，并拓展了与在 FST 作用下流体阻力体和多孔体湍流床中观察到的 entrainment 行为之间的联系。增加 $\mathcal{L}_x$ 可延迟湍流床恢复的开始，并减小平均湍流床宽度，对扩散速率影响最小。$C_T$ 和 FST 均影响高频和低频湍流床动力学，在近场和远场的贡献各不相同。对于低 $TI_{\infty}$ 和小 $\mathcal{L}_x$ 的输入，湍流床摆动最小，对 $C_T$ 敏感，似乎由剪层不稳定性引发。对于高 $TI_{\infty}$ 和大 $\mathcal{L}_x$ 的输入，湍流床摆动增强，由背景湍流主导。这强调了 FST 积分长度尺度的复杂作用：虽然增加 $\mathcal{L}_x$ 放大了摆动，但由于 entrainment 速率的抑制，未必导致更大的平均湍流床宽度。