传统中性大气边界层中大型风力机阵列的大涡模拟

在传统中性条件下，边界层顶部通常存在逆温层，这会抑制动能的垂直夹卷。众所周知，超大型风电场依赖垂直夹卷将风电场上方的能量输送至风力机。在本研究中，对传统中性大气边界层中的无限风力机阵列进行了大涡模拟。通过精细设定初始位温廓线，研究了顶部逆温层的高度和强度对风电场功率输出的影响。结果表明，高度和强度均对边界层流动有显著影响，且中性边界层的高度受到顶部逆温层的有效控制。此外，研究表明垂直夹卷率随着逆温强度或高度的增加而降低。在我们的无限风电场模拟中，改变逆温特征会导致功率提取产生约 13% ± 0.2%（强度从 2.5 增至 10 K）和 31% ± 0.4%（高度从 500 增至 1500 m）的差异。文中还对平均动能方程进行了详细分析，表明功率提取的变化源自与边界层高度和地转偏角相关的驱动气压梯度所做的功，而来自自由大气的动能夹卷并未起到显著作用。此外，从能量学角度来看，逆温强度对功率提取的影响与夹卷能量的多寡无关，而是由边界层生长的差异所致，即较低的逆温强度会导致更高的边界层。我们进一步提出了一个简化的解析模型，可用于根据 Rossby number 和边界层高度计算完全发展状态下的风电场功率输出和驱动功率。