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工大要聞
蘭州理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂刊連發(fā)三項(xiàng)研究成果
來(lái)源：能動(dòng)學(xué)院
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2025-07-03

近日，能動(dòng)學(xué)院王燕教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Renewable Energy》（中國(guó)科學(xué)院一區(qū)TOP期刊，IF=9.1）和《Energy》（中國(guó)科學(xué)院一區(qū)TOP期刊，IF=9.4）上連續(xù)發(fā)表3篇研究成果，系統(tǒng)揭示了大氣邊界層與風(fēng)電場(chǎng)相互作用的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制，并定量刻畫(huà)了不同風(fēng)電場(chǎng)布局下尾流演化規(guī)律及其持續(xù)性，進(jìn)一步澄清了大氣層結(jié)穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)電場(chǎng)性能影響的持續(xù)爭(zhēng)議。該系列研究為風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和高效運(yùn)行提供了重要理論基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊(duì)采用大渦模擬方法，首次聚焦于內(nèi)邊界層在風(fēng)電場(chǎng)中的時(shí)空演變過(guò)程及其對(duì)流場(chǎng)的調(diào)節(jié)作用。結(jié)果表明，大氣層結(jié)狀態(tài)顯著改變了流場(chǎng)分布特征，導(dǎo)致IBL演變?yōu)椴煌瑘?chǎng)景，這直接影響了風(fēng)力機(jī)尾流和背景湍流的混合程度，從而使風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出呈現(xiàn)出明顯的規(guī)模依賴(lài)性，進(jìn)而確定了不同大氣穩(wěn)定性下風(fēng)電場(chǎng)的臨界規(guī)模。

圖1.不同大氣層結(jié)下ABL與風(fēng)電場(chǎng)間相互作用示意圖

在優(yōu)化布局方面，系統(tǒng)比較了對(duì)齊、水平交錯(cuò)、垂直交錯(cuò)三種典型風(fēng)力機(jī)陣列布局方式在湍流調(diào)控、能量轉(zhuǎn)換效率以及尾流效應(yīng)方面的差異。結(jié)果表明，相較于對(duì)齊布局，水平交錯(cuò)布局在降低湍流引起的不穩(wěn)定性和提升風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，水平交錯(cuò)布局風(fēng)電場(chǎng)對(duì)大氣層結(jié)狀態(tài)變化極為敏感，從而改變了風(fēng)電場(chǎng)在不同大氣層結(jié)下的固有發(fā)電模式，適用性受限于非對(duì)流層結(jié)頻發(fā)地區(qū)。此外，水平交錯(cuò)布局風(fēng)電場(chǎng)下游尾流最長(zhǎng)，約為17 km，對(duì)下游區(qū)域影響范圍更廣。相比之下，垂直交錯(cuò)布局風(fēng)電場(chǎng)對(duì)大氣層結(jié)狀態(tài)影響不敏感，具備更強(qiáng)的適應(yīng)性。同時(shí)，尾流長(zhǎng)度相較于水平交錯(cuò)布局風(fēng)電場(chǎng)最長(zhǎng)可縮短4 km，更適用于風(fēng)電場(chǎng)分布密集區(qū)域。

圖2.不同布局風(fēng)電場(chǎng)歸一化功率輸出和尾流效應(yīng)持續(xù)性

本系列研究是在王燕教授的指導(dǎo)下，由2024級(jí)路攀博士主導(dǎo)完成。相關(guān)研究成果以《Large-eddy simulation of windfarm wake behavior and power efficiency: Effects of atmospheric stratification and staggered configurations》和《Insight into the impact ofturbine-array configurations on the power output and wake effects of afinite-size wind farm》為題發(fā)表在國(guó)際能源頂級(jí)期刊《Renewable Energy》上；以《Impact of atmospheric stability on wind farm performance: Insights from internal boundary layerdynamics》為題發(fā)表在國(guó)際能源頂級(jí)期刊《Energy》上。（圖/文：王燕；審核：朱毓杰）