尾流是影響風(fēng)電場設(shè)計(jì)，運(yùn)行控制和電纜布置的重要因素，經(jīng)過和梁工的交流，我發(fā)現(xiàn)之前對垂直軸風(fēng)力機(jī)的尾流的文獻(xiàn)閱讀比較少，而這是風(fēng)力渦輪機(jī)的一個特重要的參數(shù)。原文可點(diǎn)擊原文鏈接（文章為開源）。
文章原題：W
ind-Tur
bine and Wind-Farm Flows: A Rev
ie
w，英國杜倫大學(xué)
隨著水平軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)展，以及空氣動力學(xué)的進(jìn)步，現(xiàn)代的水平軸風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)了約0.5的功率系數(shù)，非常接近貝茨極限（0.593），但對實(shí)際的風(fēng)力機(jī)以及風(fēng)場的性能預(yù)測仍然是一個比較復(fù)雜的事，這是由于風(fēng)力渦輪機(jī)與大氣邊界層（atmospheric boundary layer）之間的復(fù)雜相互作用。
本文總結(jié)了影響風(fēng)能的四個不同尺度，從翼形尺度到宏觀尺度。如圖1，
近年來，研究人員主要通過以下四種方法分析湍流，大氣邊界層與風(fēng)力渦輪機(jī)以及風(fēng)場的相互作用：分析模型（analytical modelling），計(jì)算機(jī)流體動力學(xué)（CFD）,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)（wind tunnel experients），現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)（field experiments）。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)對流場的影響包括上游（也稱為感應(yīng)區(qū)域）和下游（即渦輪機(jī)前方，及渦輪機(jī)后方），且對上游的影響主要是降低風(fēng)速，
x代表流向方向，風(fēng)輪處為0，逆風(fēng)方向?yàn)樨?fù)，d為轉(zhuǎn)子直徑,a表示轉(zhuǎn)子感應(yīng)系數(shù)。
渦輪機(jī)的下游區(qū)域，也就是尾流，通常分為兩個區(qū)域，分別為：1近尾流（長度為2~4個轉(zhuǎn)子直徑）2遠(yuǎn)尾流，如圖2，
近尾跡區(qū)域會受到葉片，葉片形狀，輪轂，機(jī)艙形狀的影響，所以流場非常復(fù)雜，相反，遠(yuǎn)尾跡區(qū)域受風(fēng)力機(jī)的影響較小。
風(fēng)輪近尾跡區(qū)域最重要的特點(diǎn)，是葉尖與葉根脫落的周期性螺旋渦結(jié)構(gòu)，也就是圖2中藍(lán)色的圈圈，在文獻(xiàn)中已得到廣泛證明。圖2的時間平均圖中，來流風(fēng)由于地面剪切力的影響成高斯分布，渦輪機(jī)之后的平均速度失去了高斯形狀，因?yàn)闇u輪機(jī)的存在，尾流分布有了速度缺陷，距離越遠(yuǎn)，速度缺陷越小。
這些螺旋渦是轉(zhuǎn)子葉片吸力側(cè)與壓力側(cè)之間的壓力差產(chǎn)生的，它們的脫落頻率為旋轉(zhuǎn)頻率的3倍（3葉片時）。
圖
3中，從渦輪流場可視化的實(shí)驗(yàn)中也能清晰看到該螺旋渦的存在，且隨著葉尖速比的提高螺旋渦的間距減小。螺旋渦的間距減小加大了螺旋渦之間的互感以及不穩(wěn)定性，因此在高葉尖速比下，渦的擊穿（breakdown）發(fā)生得更快。
對近尾流區(qū)域的長度，存在不同的模型，其中2015年S?rensen等人提出的模型如下：
與近尾流相比，遠(yuǎn)尾流區(qū)域擁有更大的影響范圍，且普遍性更強(qiáng)，因?yàn)槠涫苻D(zhuǎn)子的詳細(xì)特征影響較小。
對于經(jīng)典的阻流問題，尾流剪切產(chǎn)生的湍流是其恢復(fù)的原因，這一結(jié)果在層流條件下被實(shí)驗(yàn)證明。但是在現(xiàn)實(shí)情況下，也就是當(dāng)環(huán)境湍流（ambient turbulence）存在時，尾流的恢復(fù)與上述理論有很大偏差，研究結(jié)果表明尾流的恢復(fù)率，對于較高湍流強(qiáng)度的邊界層要更大，也就是說在粗糙邊界層中的渦輪機(jī)尾流比在光滑邊界層中的渦輪機(jī)尾流恢復(fù)更快，如圖4.這個也解釋了，海上風(fēng)電場的容量密度要小于陸上風(fēng)電場。
尾流沿著其中心線隨機(jī)非定常振蕩即尾流蜿蜒。其隨機(jī)的振蕩會對后面的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生巨大的非定常負(fù)載。接下來文章介紹了一些尾流蜿蜒的預(yù)測模型。
為了減少尾流對下一個風(fēng)機(jī)的影響，需要開發(fā)新的有效減緩尾流影響的策略。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個方法是，主動阻礙單個風(fēng)力機(jī)的性能，換取整個風(fēng)電場的發(fā)電量。具體表現(xiàn)為，風(fēng)力機(jī)的葉片槳距角（blade pitch）、傾斜角（tilt angle）、及偏航角度（yaw angle）的調(diào)整。其中偏航角的控制被認(rèn)為是使尾流原理下一個風(fēng)機(jī)機(jī)的有效策略，且最近的研究表明，合適的偏航角控制可以提高整體發(fā)電場的發(fā)電量。但其伴隨的缺點(diǎn)為，需要更多關(guān)于解決偏航錯位下單風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)載荷的研究。
當(dāng)偏航角小于10°時，尾跡受偏航角度的影響較小，偏航角度過大時（大于20°），尾流會發(fā)生根本變化，及存在反向旋轉(zhuǎn)的渦流對。且尾流除了橫向位移外，還具有垂直位移。
一個兆瓦級的垂直軸風(fēng)力機(jī)，轉(zhuǎn)子直徑約為50米，轉(zhuǎn)子高度約為100米。Shamsoddin and Porté-Agel（2016）通過計(jì)算100多種不同的葉尖速比、葉片弦長（就是組合成不同的實(shí)度）參數(shù)下的功率系數(shù)，模型基于大氣層邊界，最佳功率系數(shù)下的實(shí)度與葉尖速比的組合為0.18與4.5，此時的功率系數(shù)有0.47。
垂直軸風(fēng)力機(jī)的尾流與水平軸風(fēng)機(jī)不同的一點(diǎn)是，其尾流在平均速度與湍流強(qiáng)度的展向剖面上具有不對稱性，圖中為雙葉片的垂直軸風(fēng)力機(jī)俯視圖。最大的流速點(diǎn)的位置在向葉片的迎風(fēng)一側(cè)移動，也就是葉片速度的流向分量和來流風(fēng)速具有相同方向的那一側(cè)，在圖中右側(cè)為背風(fēng)側(cè)，左葉片為迎風(fēng)側(cè)，這是因?yàn)樵谟L(fēng)一側(cè)，葉片相對于流場的相對速度更大，因此葉片對流體施加的力就越大。
垂直軸風(fēng)力機(jī)的尾流中，水平湍流強(qiáng)度有兩個局部的峰值，一個在迎風(fēng)側(cè)，一個在背風(fēng)側(cè)，在大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)中，背風(fēng)側(cè)的峰值要高于迎風(fēng)側(cè)的峰值，這主要是由于背風(fēng)側(cè)的失速的影響。然而在實(shí)度更高的研究中卻發(fā)現(xiàn)了完全相反的結(jié)論，這個主要原因是迎風(fēng)側(cè)在低實(shí)度的風(fēng)輪中，剪切力較高，易產(chǎn)生更高的湍流強(qiáng)度。在垂直軸風(fēng)力機(jī)中，這些不對稱性很大程度上取決于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的葉尖速比值，隨著葉尖速比的提高，這些不對稱性會減小。在Shamsoddin and Porté-Agel (2016）的研究中，結(jié)果顯示了相對較小的不對稱性，其葉尖速比值為5.2016。
最后，本文在展望中也提到了，研究新的風(fēng)力機(jī)技術(shù)，包括不同類型的垂直軸風(fēng)力機(jī)，以及多轉(zhuǎn)子（水平軸風(fēng)力機(jī)與垂直軸風(fēng)力機(jī)）的風(fēng)電場。這或許是垂直軸風(fēng)力機(jī)的另一條出路：和水平軸風(fēng)機(jī)相互作用。
文章來源：今夜你不必盛裝
