探究尾流的基本结构特征

风力发电机组正在变得越来越大，叶片变得越来越长，对风力发电机组尾流效应特性和空气动力学属性的理解，就因此变得越发重要。唯有如此，才能正确地找到风电场的最佳排布，获得最优化的发电量，同时使风险得到有效控制。尾流降低了下风向风力发电机组可获得的风能，降低了发电量。尾流中的湍流强度与邻近风机的距离和风速有关。

大型风电场，尤其是超过100台风力发电机组的海上风电场，尾流效应尤为显著^[23]。因为海上大气稳定，湍流相对较小，使得尾流与周围风速的混合较慢，尾流中风速恢复到原来的值的速度也较慢。

风力发电机组尾流的结构包括多个区域，如图2-23所示，它们是近区、中间区和远区。每个区的长度取决于风轮直径的大小，同时还与气压、风速和大气稳定度有关。

图2-23 风力发电机组尾流结构^[25]

1.尾流近区的特征为^[26]

1）长度约为风轮直径的2～4倍；

2）随着气流管道扩展到叶片边缘，风力发电机组前面（迎风面）气压增加，然后在风轮面另一侧突然降低，之后在近区内不断增加，直到恢复到自由风流的压力p_a；

3）气流管道内部的风速在接近风力发电机组时降低，并在风力发电机组风轮面的另一侧保持不变，然后在近区内，随着气压值逐渐恢复到p_a而继续降低；

4）近区内尾流的半径增加，并当气压恢复到p_a时达到最大。由于质量守恒和动量守恒定律，风速下降。

风力发电机组的尾流与周围自由气流不断混合扩散，形成了混合层，并由此界定了中间区的边界。

2.尾流中间区的特征为(www.xing528.com)

1）长度约为风轮直径的2～3倍，当混合层的内边界与中央轴线相交时结束。交点处风速发生变化；

2）中间区的气压保持不变，始终等于p_a；

3）尾流区的外边界的湍流混合增加，而中央线处的风速保持不变。

3.尾流远区的特征为

1）长度超过5倍风轮直径；

2）气压不变，等于p_a；

3）由于湍流混合，中央线的风速开始稳步增加，恢复到自由气流的风速值v_a。

根据每个区的特征，可以选择风力发电机组之间的最佳距离，从而使风力发电机组之间的相互影响最小化。由于尾流效应对风向的敏感性，主导风向对风力发电机组的排布方案起到决定性作用。在主导风向上，风力发电机组之间的距离应该至少达到中间区的末端。尾流近区内存在气压差，湍流非常强烈，且风速损失大，因此必须避开。

至此，风力发电机组的排布基本原则就比较清晰了。陆地中性大气稳定度情况下，沿着主导方向至少为5倍风轮直径，而非主导风向上，至少要达到3倍风轮直径。可以理解为，5倍风轮直径的距离为保证风电场效率的最低要求，而3倍风轮直径的距离为风力发电机组间的最小安全距离。

风力发电机的尾流长度还与大气稳定度有关，因此需要通过湍流的计算模型予以解释。