風(fēng)能利用中的空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展Ⅰ：風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性

王同光，田琳琳，鐘 偉，王 瓏，朱呈勇，2

(1. 南京航空航天大學(xué) 江蘇省風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；2. 南京理工大學(xué) 新能源學(xué)院，江陰 214443)

0 引言

面對(duì)日益嚴(yán)峻的生態(tài)與環(huán)境危機(jī)問題，大力發(fā)展風(fēng)電已成為全球共識(shí)。為了加快風(fēng)能高質(zhì)量的發(fā)展，各主要國(guó)家和地區(qū)根據(jù)自身特點(diǎn)，制定了積極的綱領(lǐng)性行業(yè)政策。特別地，為了落實(shí)中國(guó)提出的“30?60”碳排放目標(biāo)，2020年10月北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)（CWP 2020）上，來自全球400余家風(fēng)能企業(yè)的代表聯(lián)合發(fā)布了《風(fēng)能北京宣言》[1]，呼吁制定與碳中和目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的規(guī)劃：為達(dá)到與碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)起步銜接的目的，需保證我國(guó)年均新增風(fēng)電裝機(jī)5000萬千瓦以上；2025年后，中國(guó)風(fēng)電年均新增裝機(jī)容量應(yīng)不低于6千萬千瓦，到2030年至少達(dá)到8億千瓦，到2060年至少達(dá)到30億千瓦。然而，根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到2.81億千瓦，與擬定目標(biāo)還有相當(dāng)大的差距。為了確保風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展及上述愿景的順利實(shí)現(xiàn)，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行革新。

風(fēng)力機(jī)技術(shù)涉及力學(xué)、機(jī)械工程、材料科學(xué)、電氣、控制、生產(chǎn)和工藝等方面，是一個(gè)高度多學(xué)科交叉融合的技術(shù)。其中，風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)決定著風(fēng)力機(jī)的性能、效率、穩(wěn)定性和安全性等方面，是風(fēng)力機(jī)技術(shù)中首當(dāng)其沖的關(guān)鍵問題，也是風(fēng)力機(jī)理論研究的重大領(lǐng)域。然而，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在高度復(fù)雜的氣流環(huán)境中（例如大氣湍流、機(jī)組尾流及復(fù)雜地形繞流），運(yùn)動(dòng)形式也相當(dāng)復(fù)雜（涉及旋轉(zhuǎn)、靜動(dòng)部件耦合、柔性變形），面臨空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域復(fù)雜的現(xiàn)象和問題（如強(qiáng)非定常、非線性、多尺度、流動(dòng)分離及氣動(dòng)彈性效應(yīng)等）[2]。盡管學(xué)者們已進(jìn)行了大量探索并取得了一定的進(jìn)展和研究成果，但仍有一些基礎(chǔ)科學(xué)問題亟待解決，仍存在廣闊的研究空間。另外，近年來風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，大型化（達(dá)到多兆瓦級(jí)甚至十兆瓦級(jí)，風(fēng)輪直徑100 m至200 m量級(jí)）、海洋化（從陸地?cái)U(kuò)展至海上）、智能化（新型機(jī)組結(jié)構(gòu)形式，輔以智能化結(jié)構(gòu)、材料和控制策略）、數(shù)字化（達(dá)到精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)狀態(tài)感知調(diào)控）是未來風(fēng)電發(fā)展的大趨勢(shì)。現(xiàn)代化風(fēng)力機(jī)所面臨的空氣動(dòng)力學(xué)問題更加突出，在技術(shù)需求上達(dá)到新的高度，同時(shí)也提出了巨大的挑戰(zhàn)。

水平軸風(fēng)力機(jī)是目前安裝數(shù)量最多、應(yīng)用范圍最廣的機(jī)型，在風(fēng)電市場(chǎng)占有主導(dǎo)地位。本文主要以水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，分析風(fēng)能領(lǐng)域空氣動(dòng)力學(xué)問題的復(fù)雜性及其原因，引出氣動(dòng)研究面臨的重要挑戰(zhàn)。然后，針對(duì)風(fēng)力機(jī)專用翼型的氣動(dòng)特性及其評(píng)估與分析方法、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性及其基本理論與研究方法、現(xiàn)代化風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與流動(dòng)控制等關(guān)鍵空氣動(dòng)力學(xué)問題，分別評(píng)述國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。最后，對(duì)未來的研究趨勢(shì)進(jìn)行分析與展望。

1 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的復(fù)雜性

風(fēng)力機(jī)是運(yùn)行在大氣邊界層底部的大型旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)設(shè)備，面臨空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域非常復(fù)雜的問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2-3]：

（1）來流條件復(fù)雜。風(fēng)能來自地球表面的不均勻受熱和地球自轉(zhuǎn)的科里奧利力。受地形地貌、大氣熱力效應(yīng)以及自由大氣氣壓梯度的共同作用，邊界層中的湍流發(fā)展、演變，產(chǎn)生不同的邊界層結(jié)構(gòu)和湍流風(fēng)特性，如圖1所示。現(xiàn)實(shí)中，風(fēng)力發(fā)電所利用的風(fēng)資源主要集中于0～200 m的高度范圍內(nèi)，面臨著風(fēng)切變、風(fēng)轉(zhuǎn)向、尾流及海-氣交換等多種工況，來流條件異常復(fù)雜且不均勻，這使得風(fēng)力機(jī)所有的氣動(dòng)現(xiàn)象均呈現(xiàn)強(qiáng)非定常特點(diǎn)。

圖1 白天和晚上的陸上大氣邊界層結(jié)構(gòu)及湍流風(fēng)示意圖Fig. 1 Schematic of the onshore atmospheric boundary layer(ABL) structures during the day and night as well as the evolution of the turbulent wind

（2）葉片繞流復(fù)雜。在非定常入流、偏航、變槳、動(dòng)態(tài)變形等風(fēng)況/運(yùn)行工況條件下，風(fēng)力機(jī)葉片常處于深失速或動(dòng)態(tài)失速狀態(tài)。而動(dòng)態(tài)失速的主要特征為葉片吸力面有分離渦的運(yùn)動(dòng)和脫落，對(duì)壓力場(chǎng)產(chǎn)生非定常的擾動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生非定常氣動(dòng)力[4]。此外，不同于二維翼型繞流，葉片繞流是高度三維的；特別是靠近葉根區(qū)域，由葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏力和離心力共同作用，引起顯著的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和動(dòng)態(tài)失速的相互耦合使得葉片繞流更加復(fù)雜，如圖2所示[5]。

圖2 偏航條件下NREL Phase VI葉片三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和動(dòng)態(tài)失速的耦合作用示意圖（基于DDES方法模擬）[5]Fig. 2 Schematic of coupling between the three-dimensional rotational effect and the dynamic stall under yaw conditions for the NREL Phase VI blade (based on the DDES turbulence model)[5]

（3）氣動(dòng)彈性問題復(fù)雜。風(fēng)力機(jī)是一個(gè)剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)，在氣動(dòng)力、彈性力、重力及慣性力的作用下易發(fā)生揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)變形。另一方面，變形的葉片反過來會(huì)影響葉片周圍的流場(chǎng)，從而進(jìn)一步影響葉片氣動(dòng)載荷，如圖3所示。這種彈性力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的耦合，極大地增加了問題的復(fù)雜性。特別地，隨著低風(fēng)速區(qū)以及海上風(fēng)能的大范圍開發(fā)，葉片趨于大型化、柔性化、細(xì)長(zhǎng)化；而細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的大型葉片所處氣動(dòng)環(huán)境更加復(fù)雜，葉片動(dòng)態(tài)變形更為嚴(yán)重，功率輸出也更不穩(wěn)定。

圖3 大變形葉片周圍的流場(chǎng)云圖 （ 基于CFD的氣動(dòng)彈性模擬 ） [6]Fig. 3 Flow contour around a largely deformed blade(CFD-based aeroelastic modelling)[6]

除上述共有問題之外，不同研究對(duì)象（超大型、大型、小型風(fēng)力機(jī)等）所涉及的空氣動(dòng)力學(xué)問題及復(fù)雜程度也各有不同。例如，由于風(fēng)切變效應(yīng)，大型風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)轉(zhuǎn)至最高和最低處的風(fēng)功率密度差別較大，此時(shí)的風(fēng)工程項(xiàng)目必須考慮切變效應(yīng)，否則會(huì)引起嚴(yán)重的評(píng)估偏差；然而，對(duì)于小型風(fēng)力機(jī)，風(fēng)切變的影響相對(duì)較小，工程領(lǐng)域通常假定均勻入流風(fēng)條件，預(yù)測(cè)結(jié)果在可接受范圍內(nèi)。另外，如前所述，大型風(fēng)力機(jī)葉片是大撓度的細(xì)長(zhǎng)體，有顯著的氣動(dòng)彈性問題，容易引起葉片的顫振失穩(wěn)；而小型風(fēng)力機(jī)葉片可近似為剛體。這些均說明針對(duì)中小型風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)方法及規(guī)范在大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中需進(jìn)一步校驗(yàn)和改進(jìn)。

2 風(fēng)力機(jī)翼型及其氣動(dòng)特性

葉片外形是由一系列厚度不同的翼型構(gòu)成的。風(fēng)力機(jī)總體氣動(dòng)性能很大程度上取決于基本翼型的性能。同時(shí)，翼型也是風(fēng)力機(jī)載荷的源頭，從根本上影響機(jī)組的安全性與經(jīng)濟(jì)性。因此，對(duì)風(fēng)力機(jī)專用翼型的研究和開發(fā)尤為重要。

2.1 風(fēng)力機(jī)專用翼型

20世紀(jì)80年代之前，風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)多數(shù)直接采用航空翼型。其中，NACA63與LS等系列翼型迄今仍在葉片設(shè)計(jì)上有較多應(yīng)用。隨后，在歐洲風(fēng)能發(fā)展的帶動(dòng)下，學(xué)者們根據(jù)需求開始研發(fā)風(fēng)力機(jī)專用翼型，相繼設(shè)計(jì)了一系列經(jīng)典翼型族，如瑞典FFA-W系列、美國(guó)NREL-S系列、丹麥Ris?-A系列以及荷蘭DU系列等[7]。這些翼型族凝聚了設(shè)計(jì)者對(duì)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)需求的理解，其各自的幾何特點(diǎn)及氣動(dòng)特性詳見文獻(xiàn)[8]。總體而言，與傳統(tǒng)航空翼型相比，風(fēng)力機(jī)翼型存在明顯不同：（1）航空翼型的相對(duì)厚度通常為4%～18%，而風(fēng)力機(jī)翼型的相對(duì)較厚（約為15%～53%）且大厚度翼型的后緣為鈍體；（2）航空翼型通常更注重在巡航馬赫數(shù)下具有高升阻比，而風(fēng)力機(jī)翼型需在寬風(fēng)速范圍內(nèi)有較高升力系數(shù)和升阻比（其目的是增加功率輸出）；（3）風(fēng)力機(jī)翼型需具備平緩的失速特性和表面粗糙度不敏感性；（4）風(fēng)力機(jī)翼型還需更多兼顧氣動(dòng)噪聲、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、生產(chǎn)制造等方面的要求。

荷蘭代爾夫特大學(xué)的van Rooij [9]歸納了風(fēng)力機(jī)葉片典型截面的特點(diǎn)，如圖4所示。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，van Rooij將葉片劃分為葉根、葉中、葉尖三個(gè)典型區(qū)域，并將各區(qū)域的相對(duì)位置及對(duì)翼型的設(shè)計(jì)要求歸納如下：葉根區(qū)（外側(cè)30%以內(nèi)），以滿足結(jié)構(gòu)需求和幾何相容性為主，對(duì)翼型氣動(dòng)特性要求相對(duì)較低，且不追求粗糙度低敏感特性；葉中區(qū)（30%～80%），葉片的主出力區(qū)，翼型相對(duì)厚度21%～28%，且具有較高的升阻比和較低的粗糙度敏感性；葉尖區(qū)（80%以外），一般采用相對(duì)厚度小于21%的薄翼型，要求翼型升阻比較高、最大升力系數(shù)偏低、失速特性和緩、粗糙度不敏感及低噪聲。該設(shè)計(jì)方案既能較好地滿足葉片氣動(dòng)性能的要求，又能有效增強(qiáng)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是兆瓦級(jí)葉片設(shè)計(jì)常用策略。此外，對(duì)于多兆瓦級(jí)大型葉片，結(jié)構(gòu)、制造、控制、噪聲等方面的約束更突出，相應(yīng)的翼型性能需求也發(fā)生了改變[2]，但上述原則仍具有參考意義。

圖4 水平軸風(fēng)力機(jī)對(duì)翼型的要求（根據(jù)文獻(xiàn)[9]重繪）Fig. 4 Design goals of horizontal-axis wind turbine airfoils(adapted from reference [9])

目前，風(fēng)力機(jī)翼型研究主要包括兩方面：翼型設(shè)計(jì)/優(yōu)化設(shè)計(jì)和翼型氣動(dòng)性能計(jì)算分析。下文主要介紹這兩方面的研究方法和相關(guān)進(jìn)展。

2.2 風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)

翼型設(shè)計(jì)有兩條技術(shù)思路：正問題設(shè)計(jì)法和反問題設(shè)計(jì)法[10]。反問題設(shè)計(jì)法在早期的翼型設(shè)計(jì)中得到廣泛使用，其基本思路為：基于設(shè)定的目標(biāo)氣動(dòng)狀態(tài)（如壓力分布）和基礎(chǔ)翼型，通過迭代求解幾何外形和流動(dòng)控制方程，逐步逼近設(shè)定目標(biāo)，最終得到滿足要求的翼型。其中，貢獻(xiàn)最大的為Tangler等[11]提出的反問題設(shè)計(jì)法，并據(jù)此設(shè)計(jì)了NREL-S系列翼型族。在設(shè)計(jì)工具/代碼方面，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Mark Drela教授[12]基于位勢(shì)流理論和黏性修正理論編寫了XFOIL程序用于翼型設(shè)計(jì)與分析，得到了普遍認(rèn)可與應(yīng)用；但在后續(xù)研究中逐漸發(fā)現(xiàn)其對(duì)厚翼型失速特性預(yù)測(cè)精度不足。荷蘭TUDelft的van Rooij等[13]改進(jìn)開發(fā)了RFOIL程序，并且大量風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該程序?qū)σ硇蜌鈩?dòng)特性和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的預(yù)測(cè)精度有所提升，因此成為當(dāng)前翼型設(shè)計(jì)的核心軟件之一。

另一方面，隨著優(yōu)化算法的迅速發(fā)展，遺傳算法、模擬退火算法等被應(yīng)用于翼型設(shè)計(jì)，正問題設(shè)計(jì)成為主流[8]。其基本思想為：將翼型作參數(shù)化描述，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）或其他方法計(jì)算翼型氣動(dòng)性能；然后，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)（如升力、升阻比、失速特性等），通過優(yōu)化算法不斷調(diào)整氣動(dòng)外形，最后得到最優(yōu)的翼型形狀。該方法能夠滿足多種設(shè)計(jì)需求，可處理多學(xué)科設(shè)計(jì)問題，成為風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)的有效方法和手段。此外，針對(duì)風(fēng)力機(jī)專用翼型，其他學(xué)者還開展了正向和反向相結(jié)合的混合設(shè)計(jì)[14]、不同翼型族的融合設(shè)計(jì)[15]，以及翼型–葉片聯(lián)合設(shè)計(jì)[16]等先進(jìn)研究工作。

在翼型輪廓和外形方面，大厚度、鈍后緣是風(fēng)力機(jī)翼型的顯著特點(diǎn)。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室指出鈍尾緣設(shè)計(jì)具有提高葉片結(jié)構(gòu)特性、增加截面最大升力系數(shù)及升力線斜率、降低翼型粗糙度敏感性等優(yōu)點(diǎn)[17]，但同時(shí)也帶來阻力增大和氣動(dòng)噪聲增強(qiáng)等缺點(diǎn)。對(duì)此，文獻(xiàn)[18-19]開展了翼型改進(jìn)研究，以期減小鈍尾緣翼型的阻力系數(shù)并降低噪聲影響。此外，西北工業(yè)大學(xué)葉正寅團(tuán)隊(duì)還利用環(huán)量控制方法對(duì)鈍尾緣翼型進(jìn)行了流動(dòng)控制研究[20]。近年來，平底翼型（截?cái)辔簿墸┮痍P(guān)注。Miller等[21]設(shè)計(jì)了具有良好氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)性能的CU-W1-XX翼型系列。針對(duì)高湍流度低風(fēng)速區(qū)風(fēng)電開發(fā)的特殊需求，Li等[22]提出了新的綜合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，拓展了常規(guī)翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。另外，針對(duì)多兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行需求，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所團(tuán)隊(duì)[23]研究了6 MW風(fēng)力機(jī)大厚度鈍尾緣翼型的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法。2019年，Wen等[24]還將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法引入風(fēng)力機(jī)翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些工作均為新型翼型、特殊翼型設(shè)計(jì)提供了新思路，對(duì)后續(xù)研究具有很好的參考價(jià)值。

目前，大型風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行雷諾數(shù)達(dá)百萬或更高量級(jí)，超過了風(fēng)力機(jī)經(jīng)典翼型族的設(shè)計(jì)雷諾數(shù)范圍。對(duì)此，Peeringa等[25]采用PFOIL軟件研究了雷諾數(shù)對(duì)翼型氣動(dòng)特性的影響，結(jié)果表明，高雷諾數(shù)會(huì)使其最大升力系數(shù)明顯提高同時(shí)阻力系數(shù)降低，對(duì)氣動(dòng)性能的提升有利；這也在Pires等[26]的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究中得到了證實(shí)。由此可知，大型風(fēng)力機(jī)翼型必須考慮高雷諾數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，隨著葉片大型化以及運(yùn)行環(huán)境惡劣化，對(duì)葉片和翼型的需求也發(fā)生了一系列變化。對(duì)葉片的要求是高效率、低載荷和輕重量；相應(yīng)地，對(duì)翼型的要求是較好的升阻比特性（確保葉片氣動(dòng)效率高）、較低的最大升力系數(shù)（確保葉片低載荷）、較大的升力系數(shù)（確保葉片輕重量）。然而，這些性能要求存在一定的矛盾（特別是對(duì)升力系數(shù)的要求），在翼型/葉片設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)載荷和重量需求進(jìn)行折中和平衡[10]。

國(guó)內(nèi)，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心最早開展了風(fēng)力機(jī)專用翼型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究工作，并編寫了《風(fēng)力機(jī)翼型大攻角氣動(dòng)性能手冊(cè)》，初步探索了國(guó)內(nèi)外常用的30種風(fēng)力機(jī)翼型的特點(diǎn)及性能，并在之后持續(xù)致力于風(fēng)力機(jī)翼型和葉片的設(shè)計(jì)工作[27]。另外，隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，風(fēng)力機(jī)專用翼型的開發(fā)日益受到重視，相繼設(shè)計(jì)形成了多類滿足結(jié)構(gòu)相容性的高性能翼型族。2007年，在賀德馨研究員等的推動(dòng)下，“十一五”國(guó)家863計(jì)劃“先進(jìn)風(fēng)力機(jī)翼型族設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用”項(xiàng)目啟動(dòng)。項(xiàng)目成員共同開發(fā)了WA系列翼型族，并開展了相應(yīng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)[28]。2012年，“十二五”國(guó)家863計(jì)劃“先進(jìn)風(fēng)力機(jī)翼型族設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)”項(xiàng)目啟動(dòng)，旨在開發(fā)適用于大型風(fēng)力機(jī)葉片的先進(jìn)翼型族和葉片應(yīng)用技術(shù)[14]。除此之外，國(guó)內(nèi)其他單位如重慶大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等，也陸續(xù)開展了類似工作并在兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。近年來，一方面，風(fēng)力機(jī)翼型的設(shè)計(jì)流程、參數(shù)化方法均已成熟，但針對(duì)多元化/復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的翼型和相關(guān)數(shù)據(jù)依舊缺乏，如翼型在高雷諾數(shù)（6.0×106～1.0×107）下的氣動(dòng)數(shù)據(jù)；另一方面，大型多兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)特別是海上風(fēng)力機(jī)，對(duì)翼型設(shè)計(jì)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，翼型的開發(fā)仍有較大提高空間。

2.3 翼型氣動(dòng)性能評(píng)估與分析

準(zhǔn)確的氣動(dòng)性能評(píng)估是風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，目前主要有兩大類方法：基于勢(shì)流理論的面元法和基于求解Navier-Stokes方程的CFD方法。前者對(duì)低雷諾數(shù)、中等厚度以下、小迎角條件的翼型性能計(jì)算較為準(zhǔn)確，且求解速度快、魯棒性良好。其中，XFOIL和Profili是基于面元法開發(fā)的軟件（二者區(qū)別在于黏性邊界層的處理和對(duì)分離流動(dòng)的捕捉能力），當(dāng)前多款優(yōu)秀翼型族都是基于這類軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)而來。需要指出，面元法及相應(yīng)軟件相對(duì)適用于翼型設(shè)計(jì)的初步階段，如選型、修型等需要快速可靠的氣動(dòng)評(píng)估工作，以縮短翼型開發(fā)周期。

除了翼型氣動(dòng)評(píng)估，部分風(fēng)工程業(yè)務(wù)還需流場(chǎng)細(xì)節(jié)的揭示，CFD因此可在翼型性能分析中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，由于優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性和魯棒性，雷諾平均（RANS）成為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的CFD方法之一。但前人研究表明，在小入流角條件下，RANS方法能給出準(zhǔn)確的氣動(dòng)預(yù)估；而對(duì)于大迎角或大厚度翼型繞流，RNAS方法的預(yù)測(cè)精度不足，且不同湍流模型的結(jié)果差別很大[2]，但尚未得到明確的湍流模型性能優(yōu)劣結(jié)論。盡管如此，經(jīng)過十幾年的不斷測(cè)試，SSTk-ω成為風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算中應(yīng)用最廣的湍流模型。此外，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況模擬，如翼型動(dòng)態(tài)失速伴隨的非定常大尺度分離湍流，Lin等[29]還采用了分離渦模擬（DES）方法。為了實(shí)現(xiàn)更高分辨率的精細(xì)化模擬，Solís-Gallego等[30]還借助大渦模擬（LES）方法開展了翼型繞流及相應(yīng)的尾緣噪聲問題研究。這些基于較高分辨率的DES、LES研究為湍流模型的改進(jìn)提供了寶貴的數(shù)據(jù)庫和建模指導(dǎo)，將有效促進(jìn)RANS方法的發(fā)展及其在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用。

從更細(xì)致的角度考慮，由于風(fēng)力機(jī)工作環(huán)境和運(yùn)行工況復(fù)雜，葉片上的流動(dòng)更容易發(fā)生從層流向湍流的轉(zhuǎn)捩。而相比于三維葉片，二維翼型流場(chǎng)更敏感，特別是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的翼型模型（雷諾數(shù)相對(duì)較小）或現(xiàn)實(shí)中的大厚度翼型（在迎角較小時(shí)就易發(fā)生轉(zhuǎn)捩）。因此，氣動(dòng)力計(jì)算必須考慮轉(zhuǎn)捩過程[31]。轉(zhuǎn)捩流動(dòng)被認(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)遺留的最具挑戰(zhàn)性的問題之一，多數(shù)常用湍流模型假定流場(chǎng)為全湍流狀態(tài)而忽略了層流區(qū)域的存在，造成結(jié)果偏離實(shí)際。2015年，陳進(jìn)等[32]對(duì)比了全湍流模型和湍流轉(zhuǎn)捩模型對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能的預(yù)測(cè)效果，發(fā)現(xiàn)湍流轉(zhuǎn)捩模型的結(jié)果更為準(zhǔn)確。此外，2020年Cui等[33]提出了一種改進(jìn)型轉(zhuǎn)捩/湍流模型，成功模擬了風(fēng)力機(jī)翼型前緣附近的層流分離泡和邊界層轉(zhuǎn)捩過程，提高了翼型氣動(dòng)力計(jì)算精度。

除上述數(shù)值方法之外，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)仍是當(dāng)前獲取翼型設(shè)計(jì)所需關(guān)鍵氣動(dòng)數(shù)據(jù)的最主要手段。前期已開展的風(fēng)力機(jī)翼型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究詳見綜述[34]，這里不再贅述。特別值得一提的是，大型風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程復(fù)雜，葉片或翼型常常處于動(dòng)態(tài)失速工況。考慮此現(xiàn)狀，李國(guó)強(qiáng)等[35]建立了翼型俯仰振蕩和橫擺振蕩動(dòng)態(tài)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)手段，開展了風(fēng)力機(jī)翼型動(dòng)態(tài)失速特性實(shí)驗(yàn)研究；此外，為獲取風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)所需的全面準(zhǔn)確的翼型動(dòng)態(tài)載荷，該團(tuán)隊(duì)還開展了偏航振蕩翼型的動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[36]。

3 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究

氣動(dòng)特性決定了風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率和氣動(dòng)載荷大小，是風(fēng)力機(jī)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。一般而言，風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性是由葉片表面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)決定的，對(duì)其研究主要是對(duì)葉片繞流流場(chǎng)與受力等因素的分析。但由于風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在高度復(fù)雜的大氣湍流環(huán)境中，且葉片繞流具有復(fù)雜的三維非定常特性，導(dǎo)致氣動(dòng)特性分析與計(jì)算難度很大。當(dāng)前，準(zhǔn)確、可靠、高效的氣動(dòng)特性計(jì)算尚未達(dá)到成熟程度，仍面臨不小的挑戰(zhàn)。在風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究和工程應(yīng)用中，相繼出現(xiàn)了許多方法和理論。其中，葉素動(dòng)量理論、渦尾跡方法和計(jì)算流體力學(xué)方法是三大主流的氣動(dòng)特性計(jì)算/分析方法。此外，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和外場(chǎng)測(cè)試也是實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能（如機(jī)械功率、功率系數(shù)和彎扭矩）、揭示葉片旋轉(zhuǎn)流動(dòng)機(jī)理的重要途徑。以下將詳細(xì)闡述這幾類研究方法的內(nèi)涵及取得的相關(guān)研究進(jìn)展。

3.1 葉素動(dòng)量理論

葉素動(dòng)量方法（BEM）是最早提出的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)力計(jì)算與分析方法，其基本思想是[4]：首先，將葉片沿展向離散成若干小段，每一段稱為一個(gè)葉素（類似圖5的截面段）；其次，假設(shè)各葉素之間互不干擾，結(jié)合動(dòng)量理論可建立當(dāng)?shù)卣T導(dǎo)因子與葉素翼型升/阻力特性之間的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算各葉素的推力和扭矩；最后，積分求得葉片整體的氣動(dòng)力。在此過程中，翼型氣動(dòng)數(shù)據(jù)是計(jì)算的前提和基礎(chǔ)，其通常由翼型實(shí)驗(yàn)或計(jì)算獲得，其質(zhì)量決定了葉片氣動(dòng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性。前者是開展翼型在各迎角和雷諾數(shù)條件下的眾多實(shí)驗(yàn)，收集匯成翼型氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫供查表使用；但該方式較為昂貴和耗時(shí)[37]。后者多數(shù)基于第2.3小節(jié)介紹的數(shù)值方法進(jìn)行模擬仿真，可以高效、較準(zhǔn)確地得到翼型在各類工況（含常規(guī)工況及實(shí)驗(yàn)條件無法顧及的極端工況）條件下的氣動(dòng)特性。此外，也有少部分工作基于幾組典型迎角下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步結(jié)合數(shù)學(xué)建模的方式實(shí)現(xiàn)翼型在全迎角范圍內(nèi)的氣動(dòng)特性快速預(yù)測(cè)[38]。

圖5 水平軸風(fēng)力機(jī)葉片幾何構(gòu)型和單個(gè)葉素的當(dāng)?shù)厝肓髋c氣動(dòng)力示意圖[39]Fig. 5 Schematic of the horizontal-axis blade geometry and the local inflow and aerodynamic forces of blade elements[39]

BEM理論思路簡(jiǎn)明，操作簡(jiǎn)單，計(jì)算量較小，易耦合至氣動(dòng)彈性和結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算。因此，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)、性能計(jì)算及載荷預(yù)測(cè)的重要手段，也被多個(gè)主流風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)軟件（如Aerodyn和GH Bladed）采用[40]。但同時(shí)，由于基本假設(shè)的簡(jiǎn)化，使其存在一定的局限性[2]。這種局限性可能導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)的實(shí)際發(fā)電效率與設(shè)計(jì)不符，圖6給出了某風(fēng)電場(chǎng)1.5 MW機(jī)組的實(shí)際與設(shè)計(jì)功率曲線對(duì)比。該圖顯示，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，功率曲線偏差明顯；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)滿發(fā)狀態(tài)下，額定功率與設(shè)計(jì)值仍略有差別。造成這種誤差的原因可歸納為：（1）BEM方法無黏假設(shè)下的一維動(dòng)量理論與實(shí)際黏性三維流動(dòng)之間存在差異；（2）BEM方法的定常假設(shè)與實(shí)際非定常流場(chǎng)（存在風(fēng)切變、風(fēng)速/風(fēng)向變化、偏航等工況條件）存在差異；（3）BEM方法簡(jiǎn)化理論與實(shí)際物理過程存在差異，盡管在具體應(yīng)用中會(huì)給予修正，但修正模型通常存在很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，這又引入了新的不確定性；（4）大氣邊界層湍流的復(fù)雜性以及大型葉片變形顯著等因素，進(jìn)一步增加了BEM方法在理論、邊界條件、葉素氣動(dòng)數(shù)據(jù)等方面的誤差體現(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮復(fù)雜大氣環(huán)境及其物理機(jī)理，改善現(xiàn)有的氣動(dòng)模型，準(zhǔn)確評(píng)估多種因素耦合作用下風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能，從而提高風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的魯棒性和可靠性。特別地，有必要針對(duì)風(fēng)力機(jī)大型化以后所面臨的新情況，在上述幾個(gè)方面繼續(xù)開展研究工作。

圖6 風(fēng)力機(jī)SCADA數(shù)據(jù)和葉片設(shè)計(jì)的功率曲線對(duì)比Fig. 6 Wind turbine’s power curve comparison between the measured SCADA data and the theoretical design

如前所述，BEM理論對(duì)于均勻入流、無偏航、定槳距、定轉(zhuǎn)速工況的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)計(jì)算較為有效，但如果面對(duì)真實(shí)復(fù)雜工況（如陣風(fēng)、偏航、風(fēng)剪切、塔影等），該方法的準(zhǔn)確性下降。對(duì)此，后續(xù)相繼出現(xiàn)了一系列修正模型，以反映真實(shí)流動(dòng)情況，提高預(yù)測(cè)精度。以下將簡(jiǎn)要介紹三類重要的工程修正模型及其工程適用性：第一類為葉尖損失修正模型，用于描述風(fēng)力機(jī)葉片實(shí)際為有限個(gè)數(shù)而非假定無限個(gè)的影響；第二類為三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)修正模型（三維失速延遲模型），用于描述科氏力和離心力導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)葉片失速延遲的現(xiàn)象；第三類為動(dòng)態(tài)失速修正模型，用于描述旋轉(zhuǎn)葉片當(dāng)?shù)赜请S時(shí)間變化而導(dǎo)致的葉片氣動(dòng)力非定常效應(yīng)。

3.1.1 葉尖損失修正模型

由翼型的氣動(dòng)特性可知，葉片吸力面的壓力低于壓力面，空氣會(huì)在葉尖處沿徑向二次流動(dòng)（如圖7所示，從下表面繞至上表面），從而導(dǎo)致葉尖附近的氣動(dòng)性能降低，這在較寬的葉片上尤為顯著。葉尖處葉素的受力情況對(duì)整個(gè)葉片氣動(dòng)特性影響較大，此時(shí)BEM方法的二維葉素假設(shè)不再適用于有顯著三維繞流的葉尖區(qū)，應(yīng)引入葉尖損失修正模型。

圖7 葉片氣動(dòng)特性[41]Fig. 7 Blade aerodynamic characteristics[41]

應(yīng)用最廣泛的Glauert修正模型[42]，其基本思想是針對(duì)軸向和切向誘導(dǎo)因子引入修正函數(shù)；但研究表明，修正后的葉尖氣動(dòng)數(shù)據(jù)仍高于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，仍需繼續(xù)發(fā)展更準(zhǔn)確的工程模型。Shen等[43]提出了一個(gè)附加的修正因子，用于直接修正葉尖區(qū)域的法向力和切向力。Wimshurst等[44]對(duì)Shen模型的修正因子進(jìn)行了分析和校準(zhǔn)，并給出了不同取值。Schmitz等[45]在Glauert修正模型中嵌入一個(gè)經(jīng)驗(yàn)函數(shù)以考慮葉尖渦卷起和尾流膨脹效應(yīng)。之后學(xué)者們進(jìn)一步加以改進(jìn)，如2020年Zhong等[41]將三維效應(yīng)和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)葉尖損失的影響分別建模，提出了一種新型葉尖修正方法，該方法在高誘導(dǎo)因子和大迎角情況下彌補(bǔ)了Glauert模型精度不足的問題。總之，上述研究一定程度上提高了BEM方法在葉素二維假設(shè)失效區(qū)域（如葉尖）的計(jì)算準(zhǔn)確性。

3.1.2 三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)修正模型

水平軸風(fēng)力機(jī)葉片繞流和翼型繞流的主要差別在于離心力和科氏力共同作用產(chǎn)生的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。離心力在分離區(qū)容易產(chǎn)生展向流動(dòng)（又稱徑向流動(dòng)），進(jìn)而產(chǎn)生弦向科氏力；弦向科氏力有助于抵消部分弦向逆壓梯度，從而抑制流動(dòng)分離并延緩失速，提高葉片剖面的升力。因此，三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)一方面壓扁剖面分離區(qū)，另一方面延緩分離區(qū)的擴(kuò)張，進(jìn)而延遲失速[46]。通常，葉根剖面最先發(fā)生流動(dòng)分離，同時(shí)三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)靜態(tài)失速的延遲作用也在葉根處最為明顯。

三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)在葉片氣動(dòng)性能上的具體影響為：葉片剖面升力和低頭力矩變大，風(fēng)力機(jī)整體輸出功率變大。最早的失速延遲現(xiàn)象是1945年Himmelskamp[47]在螺旋槳葉片的葉根處發(fā)現(xiàn)葉根升力系數(shù)較二維翼型數(shù)據(jù)增加了近3倍，失速迎角也增加。此后，許多理論、實(shí)驗(yàn)、數(shù)值研究都圍繞著這一現(xiàn)象展開。例如，在理論研究方面，Snel等[48]通過求解動(dòng)量積分型邊界層方程，深入分析了三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的形成機(jī)理，以及其對(duì)邊界層特性的影響；在實(shí)驗(yàn)研究方面，Lee等[49]使用層析粒子圖像測(cè)速儀研究了5 kW風(fēng)力機(jī)上的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，清晰地證明了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)在降低弦向逆壓梯度、抑制流動(dòng)分離方面的作用（如圖8所示）。

圖8 水平軸風(fēng)力機(jī)葉片PIV風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的流動(dòng)顯示結(jié)果（葉尖速比為3）[49]Fig. 8 Flow visualisation of the PIV measured windtunnel experimental data for the horizontal-axis turbine (tip speed ratio TSR = 3)[49]

在數(shù)值研究方面，為滿足工程應(yīng)用的需求，學(xué)者們先后提出了多類三維旋轉(zhuǎn)失速延遲修正模型[5]，用于添加到葉素動(dòng)量方法或渦尾跡方法，以提高風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的預(yù)測(cè)合理性。這些修正模型的統(tǒng)一化表達(dá)式為：

式中：CL,2D、CD,2D為二維翼型的升力、阻力系數(shù)；CL,3D、CD,3D為修正后葉片剖面的升力、阻力系數(shù)。式（1）右端的第二項(xiàng)是修正模型所要確定的量，根據(jù)其確定方式又可將修正模型大致分為兩類：第一類是針對(duì)FL和FD建模，較為常用的有Snel、Chaviaropoulos-Hansen、Du-Selig模型等；第二類針對(duì)ΔCL和ΔCD建模，包括Corrigan-Schillings、Lindenburg、Bak模型等[5]。南京航空航天大學(xué)、華北電力大學(xué)、蘭州理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)近年來也相繼開展了考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的風(fēng)力機(jī)三維非定常氣動(dòng)特性研究[50]。

盡管國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的研究工作，但三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的流動(dòng)機(jī)理和物理本質(zhì)至今仍未被透徹理解[5]。表現(xiàn)在：首先，旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)剖面阻力的影響至今沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)知；其次，工程計(jì)算中使用修正模型預(yù)測(cè)葉尖附近氣動(dòng)力時(shí)，計(jì)算結(jié)果通常大于實(shí)驗(yàn)值，誤差原因目前尚不清楚，亟需未來開展深入研究。

3.1.3 動(dòng)態(tài)失速修正模型

實(shí)踐表明，風(fēng)力機(jī)葉片約70%（失速型風(fēng)力機(jī)）或30%（變速型風(fēng)力機(jī)）的時(shí)間處于失速運(yùn)行狀態(tài)，使其氣動(dòng)特性存在高度非定常性。失速的基本物理機(jī)制是流動(dòng)分離，而分離的形成和發(fā)展需要一定的時(shí)間，并依賴其歷史流動(dòng)狀態(tài)，因此在相同迎角下的分離區(qū)流動(dòng)，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)有別[2]。例如：動(dòng)態(tài)失速迎角明顯大于靜態(tài)失速迎角，即失速延遲；動(dòng)態(tài)失速的分離渦要比靜態(tài)失速的分離渦更嚴(yán)重，且更為頑強(qiáng)持久。動(dòng)態(tài)失速產(chǎn)生的氣動(dòng)力遲滯，對(duì)風(fēng)力機(jī)的輸出功率、結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度都有負(fù)面影響[51]，在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與研究中應(yīng)予以充分考慮。

針對(duì)該現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)研究方面，1995年Ramsay等[52]測(cè)量了NREL S809翼型繞1/4弦向位置俯仰振蕩所產(chǎn)生的氣動(dòng)力，研究了多種工況（不同平均迎角、振幅迎角、縮減頻率、雷諾數(shù)）下的動(dòng)態(tài)失速特性，為后續(xù)數(shù)值模擬和工程模型的驗(yàn)證提供了可靠數(shù)據(jù)。之后，Sheng等[53]同樣研究了NREL S809翼型的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)失速特性，還研究了翼型以恒定角速度上仰/下俯運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)失速行為。近年來，Disotell等[54]采用新型的表面測(cè)量技術(shù)，對(duì)DU97-W-300翼型開展了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)失速研究，獲得了可視化流場(chǎng)及定量的氣動(dòng)數(shù)據(jù)。需要注意的是，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，目前動(dòng)態(tài)失速的產(chǎn)生形式主要是翼型繞1/4弦向位置俯仰振蕩；然而這只能代表部分運(yùn)動(dòng)形式（如葉片變槳或氣動(dòng)彈性扭轉(zhuǎn)）產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)失速歷程。對(duì)于葉片周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化（如塔影效應(yīng)、風(fēng)剪切、尾流干擾等）產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)失速，是否可以等效為俯仰振蕩，仍需進(jìn)一步的詳細(xì)研究。

在數(shù)值計(jì)算方面，為了快速、準(zhǔn)確評(píng)估動(dòng)態(tài)載荷對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的影響，通常的做法是：基于靜態(tài)翼型數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)失速模型描述失速延遲和氣動(dòng)力遲滯效應(yīng)。其中，在水平軸風(fēng)力機(jī)上使用較為廣泛的是Leishman-Beddoes（L-B）模型[4]，最早是基于直升機(jī)翼型提出的。之后，針對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型與直升機(jī)翼型的諸多不同，Gupta進(jìn)一步改進(jìn)L-B模型，使其更適用于風(fēng)力機(jī)專用翼型的非定常氣動(dòng)力預(yù)測(cè)。2013年，Pereira等[55]修正了前緣分離流動(dòng)模塊，并在MEXICO風(fēng)力機(jī)上證實(shí)了修正L-B模型可提高偏航工況下葉片氣動(dòng)力的預(yù)測(cè)精度。2020年，朱呈勇等[5]在Gupta L-B模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，得到了與實(shí)驗(yàn)值整體上吻合較好的預(yù)測(cè)結(jié)果（尤其是遲滯環(huán)大小和下俯段氣動(dòng)力），如圖9所示。

圖9 基于動(dòng)態(tài)失速模型預(yù)測(cè)到的NREL S809翼型升力系數(shù)遲滯環(huán)與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比 （8°±10° ， k = 0.078）[5]Fig. 9 Comparison between the lift force curve obtained with dynamic stall models and experimental measurement for the NREL S809 airfoil (8°±10°, k = 0.078))[5]

盡管前人已針對(duì)性地開展了一些改進(jìn)研究，但仍存在部分問題未得到很好的解決。面臨的主要挑戰(zhàn)為：（1）動(dòng)態(tài)失速開始的迎角與相應(yīng)的CL難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；（2）流動(dòng)再附階段的氣動(dòng)力難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；（3）難以兼顧考慮三維效應(yīng)的影響。這為后續(xù)的模型改進(jìn)工作提供了指導(dǎo)方向。

3.2 渦尾跡方法

渦尾跡方法（VWM）是基于渦流理論建立的一種風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能分析方法，其指出尾渦的發(fā)展形狀和強(qiáng)度決定著葉片性能。圖10給出了葉片尾跡的離散示意圖[56]。尾渦形狀的描述是渦尾跡方法的關(guān)鍵，目前主要?dú)w納為預(yù)定渦尾跡模型和自由渦尾跡模型兩類。前者是基于大量尾流數(shù)據(jù)建立尾跡形狀描述函數(shù)，描述函數(shù)可以是誘導(dǎo)速度因子或葉片環(huán)量的函數(shù)，然后根據(jù)尾跡形狀計(jì)算新的誘導(dǎo)速度場(chǎng)和環(huán)量分布，反復(fù)迭代直至流場(chǎng)收斂。1987年，Kocurek[57]將預(yù)定尾跡與升力面方法耦合。1999年，Dumitrescu等[58]將預(yù)定尾跡與升力線方法耦合。2000年前后，Wang[59]和Coton[60]也發(fā)展一類預(yù)定渦尾跡模型，并基于此開展了大量研究，如計(jì)算偏航狀態(tài)下非定常氣動(dòng)力，評(píng)估塔影效應(yīng)對(duì)下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的影響，研究三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)模型在該模型中的應(yīng)用等。上述結(jié)果表明，預(yù)定渦尾跡模型可以較好預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)力，具有計(jì)算效率高的優(yōu)勢(shì)，一般用于與動(dòng)態(tài)失速模型耦合、快速計(jì)算葉片的氣動(dòng)特性等[60-62]。但同時(shí)預(yù)定渦尾跡模型也存在一些不足，比如：尾跡幾何形狀的建立密切依賴于大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，具有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)因素；不能模擬尾跡形狀的畸變和葉尖渦的卷起。這些均限制了預(yù)定渦尾跡模型的發(fā)展和應(yīng)用。

圖10 自由渦尾跡方法的尾跡離散示意圖[56]Fig. 10 Layout of the free-wake modelling of a blade[56]

與之不同的是，自由渦尾跡模型不需要渦元位置的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，而是通過求解整場(chǎng)的誘導(dǎo)速度來確定尾渦形狀，因此能夠計(jì)算尾跡的畸變和卷起。它有著更嚴(yán)格的理論支撐和更好的普適性，成為風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性分析的重要方法。特別地，近年來隨著風(fēng)力機(jī)尺寸的大型化以及海洋化發(fā)展，風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)力的非定常效應(yīng)越來越顯著，此時(shí)，自由渦尾跡方法的優(yōu)越性得到進(jìn)一步體現(xiàn)，相關(guān)研究和應(yīng)用也越來越多。例如，Xu等[63]采用三階精度時(shí)間推進(jìn)算法，并將三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)模型和動(dòng)態(tài)失速模型耦合到自由渦尾跡模型中進(jìn)行氣動(dòng)特性計(jì)算。Shen等[64]采用自由尾跡模型計(jì)算了海上漂浮式風(fēng)力機(jī)在預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)下的非定常氣動(dòng)性能。Rodriguez等[65]將自由渦尾跡與氣動(dòng)彈性算法相結(jié)合，模擬了海上風(fēng)力機(jī)與尾流的相互作用。此外，Lee等[66]對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，提出了非線性渦格升力面方法，用于描述葉片在較大迎角變化范圍內(nèi)的非線性失速和后失速行為。2021年，Greco等[67]提出了一種自由渦尾跡與面元法耦合的氣動(dòng)特性計(jì)算方法，并以MEXICO葉片在軸流/偏航工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行了精度測(cè)試。上述研究一定程度上促進(jìn)了自由渦尾跡模型精度和魯棒性的改善。在后續(xù)研究中，除了繼續(xù)提高計(jì)算準(zhǔn)確度（比如與動(dòng)態(tài)失速模型、三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)模型相結(jié)合），還應(yīng)進(jìn)一步降低計(jì)算量，使其滿足風(fēng)力機(jī)日常氣動(dòng)設(shè)計(jì)需求。

總之，相較于BEM方法，渦尾跡方法具有更寬的適用范圍，可以計(jì)算非定常及偏航工況下的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性。此外，實(shí)際上，尾渦耗散與環(huán)境流場(chǎng)相關(guān)，且隨著葉片載荷的不同而有著較大差別，后續(xù)還需進(jìn)一步開展考慮黏性效應(yīng)的渦方法研究。

3.3 計(jì)算流體力學(xué)方法

與上述兩類方法相比，CFD方法對(duì)實(shí)際流場(chǎng)沒有太多簡(jiǎn)化，而是通過數(shù)值求解流體控制方程來獲得完整的流場(chǎng)信息，顯示了其對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算和流動(dòng)機(jī)理分析的強(qiáng)大能力，因此也是風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的重要手段。

CFD計(jì)算過程中，網(wǎng)格生成、風(fēng)力機(jī)建模和湍流描述是其核心內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)格生成方面，針對(duì)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)葉輪，主要有三種方法[68]：（1）多重坐標(biāo)系法。葉片的旋轉(zhuǎn)通過動(dòng)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，是一種準(zhǔn)定常方法，適用于風(fēng)力機(jī)軸向入流狀態(tài)的流場(chǎng)仿真。此外，該方法只需圍繞一只葉片生成網(wǎng)格（通過周期邊界實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)輪的幾何描述），大大降低了網(wǎng)格數(shù)量及對(duì)計(jì)算資源的要求。（2）滑移網(wǎng)格法。葉片跟隨旋轉(zhuǎn)區(qū)網(wǎng)格一同旋轉(zhuǎn)，適用于非定常流場(chǎng)仿真。由于需要針對(duì)整個(gè)風(fēng)輪，網(wǎng)格量的顯著增多對(duì)計(jì)算資源提出了一定要求。（3）嵌套網(wǎng)格法。易于處理動(dòng)和靜部件同時(shí)存在的情況，網(wǎng)格處理比滑移網(wǎng)格更靈活，常用于包括葉輪和塔架在內(nèi)的風(fēng)力機(jī)整機(jī)流場(chǎng)的非定常模擬。

風(fēng)力機(jī)建模，主要是指采用合適的模型描述風(fēng)力機(jī)的存在及其對(duì)周圍大氣產(chǎn)生的影響。目前，主要有兩大類方法：全尺寸直接模擬方法和致動(dòng)系列方法。全尺寸直接模擬方法是指圍繞真實(shí)的風(fēng)力機(jī)葉片外形生成計(jì)算網(wǎng)格， 求解流動(dòng)方程以直接捕捉葉片繞流流場(chǎng)和計(jì)算風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能。為了精確體現(xiàn)葉片的幾何外形以及解析/模擬葉片邊界層，通常需要數(shù)千萬網(wǎng)格以滿足解析壁面（近壁模型，y+＜1）或模擬壁面（壁面函數(shù)，y+～ （30，250））的需求，計(jì)算成本高，在注重效率的工程應(yīng)用中可行性偏低。致動(dòng)類方法是采用虛擬體積力（在控制方程中具體為動(dòng)量源項(xiàng)）作用于流場(chǎng)特定區(qū)域，放棄對(duì)葉片局部流場(chǎng)的精細(xì)再現(xiàn)，大量減少了網(wǎng)格數(shù)量并降低了網(wǎng)格生成難度。但由于未準(zhǔn)確刻畫葉片外形且基于葉素理論，因此葉片氣動(dòng)性能的計(jì)算精度不會(huì)明顯高于BEM/VWM方法；同時(shí)，剩余較多的計(jì)算資源可用于風(fēng)力機(jī)尾流的捕捉，因此比較適用于尾跡流場(chǎng)計(jì)算[2]。特別地，對(duì)于風(fēng)力機(jī)尾流的大渦模擬，通常采用致動(dòng)方法代替真實(shí)葉片，可顯著降低網(wǎng)格生成難度；尤其是在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中，需要考慮數(shù)十甚至上百臺(tái)機(jī)組尾流，致動(dòng)類方法的優(yōu)勢(shì)更為突出。

另外，湍流模擬的準(zhǔn)確性是風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)CFD仿真的關(guān)鍵之一。按照能夠識(shí)別的湍流尺度分辨率，主要分為直接數(shù)值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和雷諾平均（RANS）三類。目前DNS和LES方法在風(fēng)力機(jī)上的工程應(yīng)用受限于計(jì)算資源[69]；而對(duì)計(jì)算條件要求不高的RANS加湍流模型的方法得到工程界的普遍認(rèn)可和廣泛使用。特別地，2010年美國(guó)航空航天局（NASA）針對(duì)湍流模擬方法的應(yīng)用和未來發(fā)展進(jìn)行了深入討論，結(jié)論之一即是：盡管對(duì)于許多工程流動(dòng)的模擬性不盡完美，基于湍流模型的RANS方法在未來20至50年內(nèi)仍然是CFD的主流[70]。特別地，湍流模型被認(rèn)為是RANS方法的決定因素；同樣，2018年，Durbine在Annu Rev Fluid Mech中明確“湍流模型是應(yīng)用型CFD方法的核心”[70]。

湍流模型通常可歸納為兩類：渦黏性模型（EVM）和雷諾應(yīng)力模型（RSM）。對(duì)于前者，風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究中常用的模型包括S-A、k-ε、SSTk-ω、轉(zhuǎn)捩型SST（γ-Reθ）等。已開展的相關(guān)工作包括：Zhang等[71]基于S-A模型開展了仿生構(gòu)型Phase VI葉片的氣動(dòng)特性研究；Moshfeghi等[72]基于SSTk-ω和轉(zhuǎn)捩型SST（γ-Reθ）對(duì)Phase VI葉片繞流開展研究，還測(cè)試了不同近壁面網(wǎng)格處理方式對(duì)計(jì)算精度的影響。2019年，文獻(xiàn)[73]中以NREL 5MW風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，測(cè)試了四種不同EVM模型對(duì)氣動(dòng)扭矩的預(yù)測(cè)精度；綜述性文獻(xiàn)[74]中梳理歸納了2002年至2018年已開展的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性研究及取得的關(guān)鍵成果。結(jié)果表明，RANS方法的計(jì)算精度對(duì)湍流模型較為敏感，不同模型得到的結(jié)果不盡相同。盡管如此，經(jīng)過對(duì)各湍流模型的多年不斷實(shí)踐、總結(jié)和摸索，一般認(rèn)為SSTk-ω模型因精度可接受、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)更適用于風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能計(jì)算；而考慮轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象的SST（γ-Reθ）模型更適用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)工況的風(fēng)力機(jī)研究。總體而言，目前仍未有哪種湍流模型顯示出普遍性、壓倒性的優(yōu)勢(shì)，也就沒有嚴(yán)格、明確的性能結(jié)論，因此有待后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行研究及確認(rèn)。在這種形勢(shì)下，為了確保結(jié)果的可靠性，湍流模型使用者應(yīng)重視如下問題：充分了解各湍流模型的基本性能和特點(diǎn)，注意模型參數(shù)的選取原則，搭配正確設(shè)置的邊界條件及近壁面網(wǎng)格處理方式，通過多種手段保證計(jì)算的收斂性等[70]。

事實(shí)上，經(jīng)典湍流模型是兼顧流體的普適性提出的，而對(duì)于風(fēng)力機(jī)這一特定研究對(duì)象，其計(jì)算精度存在或多或少的不足。據(jù)此，Abdelsalam等[75]對(duì)比分析了兩種修正型k-ε模型在風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)和流場(chǎng)方面的改進(jìn)效果；Zhong等[76]對(duì)SSTk-ω模型進(jìn)行修正，得到了適用于S809翼型和NREL VI葉片動(dòng)態(tài)失速模擬的湍流模型系數(shù)；2020年，Li等[77]提出了修正型三方程湍流模型，用于結(jié)冰工況下的翼型失速行為預(yù)測(cè)。除上述研究之外，針對(duì)RANS方法的固有缺陷（對(duì)復(fù)雜的分離流及多尺度結(jié)構(gòu)模擬能力不足），學(xué)者們將目光投向DES。例如，文獻(xiàn)[78]中采用DDES方法模擬了S809翼型在0°～90°迎角范圍內(nèi)的氣動(dòng)特性，相較于非定常RANS方法，取得了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為靠近的結(jié)果。Qian等[79]提出了一種修正型SSTk-ω模型結(jié)合PANS的方法用于風(fēng)力機(jī)尾流研究。Rasam等[80]采用改進(jìn)型IDDES方法對(duì)小型風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)力、壓力分布、功率等基本特性展開了研究。隨著風(fēng)能領(lǐng)域?qū)α鲃?dòng)精細(xì)化模擬的需求越來越強(qiáng)，學(xué)者們逐漸采用高精度高分辨率的LES方法。文獻(xiàn)[81]采用LES方法精細(xì)模擬了風(fēng)力機(jī)葉片與塔架之間的相互干擾效應(yīng)，為塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。錢耀如[82]在其博士論文中基于ALM-LES方法開展了風(fēng)力機(jī)非定常氣動(dòng)特性和流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算研究。Li等[83]對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型的動(dòng)態(tài)失速過程進(jìn)行了LES數(shù)值研究，且探索了非穩(wěn)態(tài)脈沖等離子體的流動(dòng)控制及機(jī)理分析。文獻(xiàn)[84-85]還采用LES方法精確捕捉了復(fù)雜尾渦的形成和發(fā)展過程，并基于流場(chǎng)進(jìn)一步研究了氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生與輻射規(guī)律，復(fù)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)現(xiàn)象和結(jié)果。特別地，在計(jì)算資源相對(duì)充充足的現(xiàn)今時(shí)代，應(yīng)逐漸重視LES的作用，借助其提供寶貴的數(shù)據(jù)庫、精細(xì)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和多尺度非定常流動(dòng)機(jī)理，為湍流模型修正建模提供指導(dǎo)。

3.4 CFD/BEM混合方法

BEM方法在風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性計(jì)算方面簡(jiǎn)便快捷，但由于無黏假設(shè)，精度相對(duì)較低；CFD方法能夠較為全面準(zhǔn)確地反映全流場(chǎng)信息，但需大量的計(jì)算資源。文獻(xiàn)[86]以新一期MEXICO實(shí)驗(yàn)選取的風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，給出了前述三大類方法（VWM、BEM、CFD）計(jì)算得到的結(jié)果，如圖11所示，圖中直觀地體現(xiàn)了CFD方法較其他兩類模型化方法更接近實(shí)驗(yàn)值。

圖11 新一期MEXICO風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)：不同計(jì)算方法（包含VWM、BEM、CFD）得到的切向力隨徑向位置分布[86]Fig. 11 New MEXICO wind turbine experiment: tangential force along the radial direction for different computational methods (including VWM, BEM and CFD)[86]

為了綜合利用CFD方法高精度及BEM方法高效率的優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[87]采用CFD-BEM混合方法預(yù)測(cè)了NREL Phase Ⅱ葉片氣動(dòng)特性，如功率曲線、力和力矩等。主要做法是通過CFD方法計(jì)算二維葉素段在全迎角和寬雷諾數(shù)范圍內(nèi)的氣動(dòng)特性，以此作為輸入再采用BEM方法模擬三維流場(chǎng)。該混合策略較單一CFD方法計(jì)算效率有所提高，且精度較BEM方法可接受。類似地，Yang等[88]針對(duì)IEA Wind的標(biāo)模MEXICO風(fēng)力機(jī)，開展了CFD-BEM方法的精度校核研究，結(jié)果表明，該方法計(jì)算到的氣動(dòng)力與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，證明了方法的有效性。2019年，Torregrosa等[89]基于BEM-RANS方法開展了小型失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)研究，并與常規(guī)設(shè)計(jì)流程得到的外形進(jìn)行了對(duì)比分析。除上述水平軸風(fēng)力機(jī)之外，混合方法還被用于潮汐/海流渦輪機(jī)氣動(dòng)計(jì)算及設(shè)計(jì)[33,90]。

3.5 外場(chǎng)測(cè)試和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

一方面，風(fēng)力機(jī)繞流計(jì)算十分復(fù)雜，前述數(shù)值計(jì)算方法的精度和適用范圍尚未明確，需要全方位的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)。另一方面，通過實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)新的流動(dòng)現(xiàn)象和機(jī)理，據(jù)此可修正計(jì)算模型，進(jìn)一步提高數(shù)值方法預(yù)測(cè)精度。因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)量（主要包含外場(chǎng)測(cè)試和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)兩種方式）是風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能研究的重要手段以及揭示風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理的重要途徑。

在外場(chǎng)試驗(yàn)方面，1997年起，由國(guó)際能源署（IEA）發(fā)起及國(guó)際著名研究機(jī)構(gòu)牽頭，先后設(shè)置了兩個(gè)研究專題（Task 14和Task 18）開展外場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參見IEA工作報(bào)告[91-92]。通常做法是使用探針或測(cè)風(fēng)儀獲取風(fēng)速、風(fēng)向信息（如圖12所示），安裝壓力傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)葉片表面的壓力分布信息，進(jìn)而計(jì)算葉片氣動(dòng)載荷、風(fēng)輪軸向推力系數(shù)和功率系數(shù)等典型氣動(dòng)參數(shù)，獲得實(shí)際工況下風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。2017年，Schaffarczyk等[93]以直徑30 m的E-30風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，使用40個(gè)壓力傳感器和23個(gè)熱膜傳感器陣列，測(cè)量不同工況條件下的吸力面邊界層，并開展了流動(dòng)機(jī)理研究。此外，由IEA組織的Task 29（第四階段，起止時(shí)間2018年1月至2020年12月）針對(duì)DANAERO 2 MW風(fēng)力機(jī)開展了外場(chǎng)環(huán)境下的一系列研究，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步探索了大氣和尾流湍流對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)性能、載荷和穩(wěn)定性的影響[94]。一般來說，理想情況下外場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果具有較高的可靠性和較好的實(shí)踐指導(dǎo)意義，能夠給出風(fēng)力機(jī)的整體特性（如功率、彎矩和扭矩等）。但是，因外場(chǎng)環(huán)境受諸多因素的影響，實(shí)測(cè)結(jié)果也存在較大的不確定性因素。此外，由于無法提供“統(tǒng)一”的風(fēng)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性也較差。

圖12 IEA 任務(wù)14/18中的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖（采用探針測(cè)量入流角）[86]Fig. 12 IEA Task 14/18 facility with probes[86]

相對(duì)而言，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以有效地控制入流和風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)繞流細(xì)節(jié)進(jìn)行測(cè)量，更有助于理解旋轉(zhuǎn)葉片流動(dòng)機(jī)理。文獻(xiàn)[34]詳細(xì)總結(jié)了2005至2014年間所開展的經(jīng)典風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，綜述性文獻(xiàn)[86]也詳細(xì)地分析了近三十年的實(shí)驗(yàn)研究歷程及取得的重要成果，對(duì)這部分內(nèi)容本文不再詳細(xì)展開論述。其中最為經(jīng)典的是IEA先后設(shè)置的研究專題Task 20（2003至2007年）和Task 29（2008至2020年），旨在利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加深風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)機(jī)理的理解，并驗(yàn)證和改進(jìn)現(xiàn)有的氣動(dòng)計(jì)算模型。Task 20主要是在NASA Ames中心開展的NREL全尺寸模型（風(fēng)輪直徑10.06 m的Phase VI兩葉片失速型風(fēng)力機(jī)）實(shí)驗(yàn)[95]，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了多種工況條件下的風(fēng)力機(jī)性能及葉片載荷數(shù)據(jù)，為氣動(dòng)計(jì)算方法及程序的驗(yàn)證提供了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。Task 29在歐洲最大的低速開口風(fēng)洞DNW中，以直徑4.5 m的三葉片、失速型風(fēng)力機(jī)MEXICO為研究對(duì)象[96]，開展了常規(guī)氣動(dòng)載荷和壓力分布等實(shí)驗(yàn)，還基于PIV技術(shù)開展了尾跡流場(chǎng)可視化實(shí)驗(yàn)，獲得了風(fēng)輪周圍流場(chǎng)進(jìn)而分析流動(dòng)機(jī)理和風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，同時(shí)也開展了數(shù)據(jù)分析和氣動(dòng)建模等研究。

特別地，圍繞NREL Phase VI和MEXICO風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，針對(duì)軸流和偏航入流條件，學(xué)者對(duì)比研究了風(fēng)力機(jī)的三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、動(dòng)態(tài)失速特性、動(dòng)態(tài)入流響應(yīng)、近尾流場(chǎng)特征等方面內(nèi)容[97-98]。在氣動(dòng)力方面，盡管在均勻來流、無偏航的簡(jiǎn)單入流條件下，氣動(dòng)力計(jì)算值與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)值吻合較好，但是一旦涉及非定常、大分離流動(dòng)，計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值存在明顯偏差。總體來說，工程氣動(dòng)力模型由于難以刻畫復(fù)雜的風(fēng)力機(jī)流動(dòng)特性，預(yù)測(cè)精度偏低；而高精度的CFD數(shù)值方法能捕捉復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，相對(duì)而言能獲得較為精確的氣動(dòng)力。在流動(dòng)特征和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)方面，葉片構(gòu)型會(huì)造成流動(dòng)特征上的明顯差異。例如，MEXICO葉片由于特定翼型的過渡，在葉中區(qū)域會(huì)產(chǎn)生葉中渦[96]（如圖13所示），因此60%展向剖面氣動(dòng)力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值偏差較大；而NREL Phase VI葉片不存在葉中渦。在三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)方面，受葉片邊界層內(nèi)科氏力和離心力作用，NREL Phase VI葉片由明顯的二維后緣分離轉(zhuǎn)變?yōu)檩^弱的三維前緣分離；然而，MEXICO葉片的三維分離與對(duì)應(yīng)的二維翼型分離保持一致，均為后緣分離，旋轉(zhuǎn)效應(yīng)使得葉片后緣分離點(diǎn)后移。這些流動(dòng)特征的差別，使得氣動(dòng)力模型缺乏足夠的通用性和可靠性，大大增加了建模難度。

圖13 MEXICO風(fēng)力機(jī)尾渦結(jié)構(gòu)[96]Fig. 13 Vortex structures in the wake region of the MEXICO turbine[96]

綜上可知，前述工作一定程度上促進(jìn)了風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性計(jì)算方法的完善和發(fā)展。除了上述大規(guī)模實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目支撐之外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還相繼開展了精細(xì)的研究型實(shí)驗(yàn)工作。如Monteiro等[99]針對(duì)洞壁干擾和支架干擾等因素開展了相關(guān)的數(shù)據(jù)修正研究，Li等[100]開展了實(shí)驗(yàn)過程中的葉片氣動(dòng)特性不確定性分析研究。這些工作有助于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和精度的進(jìn)一步提升，可為數(shù)值方法驗(yàn)證提供更高質(zhì)量的參考數(shù)據(jù)。

4 現(xiàn)代化風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與流動(dòng)控制

2016年底國(guó)家能源局印發(fā)的《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》指出：“十三五”期間重點(diǎn)研究8 MW～10 MW 陸/海上風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)百萬千瓦及以上規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)群高效運(yùn)行示范工程[101]。風(fēng)電機(jī)組大型化、推動(dòng)陸上及近海風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，已成為風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨之而來的葉片尺寸增大、氣動(dòng)彈性問題嚴(yán)峻、多尺度流動(dòng)現(xiàn)象顯著等問題，使得風(fēng)力機(jī)處于更加復(fù)雜的風(fēng)況和載荷環(huán)境中，加劇了葉片所受載荷的不均勻性和復(fù)雜性[102]。另外，海上風(fēng)能開發(fā)利用技術(shù)近年來發(fā)展迅猛，其風(fēng)況好、風(fēng)能資源能量效益高、電網(wǎng)接入便利、節(jié)約土地、適合大規(guī)模開發(fā)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其成為風(fēng)能開發(fā)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。下文對(duì)風(fēng)力機(jī)大型化、海洋化和智能化發(fā)展過程中涉及的關(guān)鍵空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)行概述。

4.1 海上風(fēng)電與臺(tái)風(fēng)影響

現(xiàn)階段海上風(fēng)電已成為全球范圍內(nèi)的風(fēng)能研發(fā)熱點(diǎn)。海上風(fēng)電項(xiàng)目依據(jù)所在水域深度一般分為：潮間帶及潮下帶灘涂風(fēng)電場(chǎng)（指多年平均大潮高潮線以下至理論最低潮位以下5 m水深）、近海風(fēng)電場(chǎng)（5～50 m水深）和深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)（水深大于50 m）。“十三五”期間我國(guó)海上風(fēng)電實(shí)質(zhì)開發(fā)的區(qū)域主要集中在潮間帶及近海風(fēng)電區(qū)域[103]，學(xué)術(shù)界及工程界也陸續(xù)啟動(dòng)了深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電前瞻性探索工作[104]。

2019年Science發(fā)表了綜述文章，探討了未來風(fēng)能研究中的三大挑戰(zhàn)，并指出第二大挑戰(zhàn)為“大型風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)及超大型海上風(fēng)力機(jī)的流體力學(xué)問題”[105]。海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電相比，有著明顯的區(qū)別：（1）來流風(fēng)特性；（2）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式；（3）機(jī)組系統(tǒng)的水力作用。在風(fēng)特性方面，海上風(fēng)資源有其自身特點(diǎn)：風(fēng)切變普遍較小、湍流強(qiáng)度偏低、動(dòng)力粗糙度為變量、風(fēng)速非平穩(wěn)特性顯著、風(fēng)向較穩(wěn)定、陣風(fēng)系數(shù)小、伴有臺(tái)風(fēng)（颶風(fēng)）等。工程實(shí)踐表明，臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)破壞是風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的重要威脅，海上風(fēng)力機(jī)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)是保證海上風(fēng)電快速發(fā)展的關(guān)鍵之一。因此，針對(duì)我國(guó)容易遭受臺(tái)風(fēng)侵襲的現(xiàn)狀，下文將臺(tái)風(fēng)作為討論的重點(diǎn)。

研究臺(tái)風(fēng)對(duì)海上風(fēng)力機(jī)的作用，首先需掌握海上臺(tái)風(fēng)的邊界層風(fēng)場(chǎng)特性。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是必不可少的研究手段，常采用浮標(biāo)、觀測(cè)塔、風(fēng)廓線雷達(dá)、下探式探空儀等，記錄臺(tái)風(fēng)過境時(shí)的風(fēng)速場(chǎng)信息，再從統(tǒng)計(jì)意義上將風(fēng)速變化過程轉(zhuǎn)換為數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所需的輸入?yún)?shù)。然而，受動(dòng)力粗糙度、熱力效應(yīng)、潮汐、波浪、水深分布等多重因素的影響，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)直接測(cè)量，尤其是海洋環(huán)境下的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)，難度非常大。總體而言，基于現(xiàn)有研究尚未形成比較完善的海上臺(tái)風(fēng)風(fēng)特性數(shù)據(jù)庫[103]。

另外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還開展了大量三維臺(tái)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬研究。Rotunno等[106]使用WRF（Weather Research and Forecast）模式結(jié)合LES方法將臺(tái)風(fēng)的模擬精度提高至米量級(jí)。Ulmer等[107]開展了更為細(xì)致的研究，指出WRF的風(fēng)場(chǎng)模擬存在一個(gè)“螺旋上升”的時(shí)間，并建議將該時(shí)間設(shè)置為12 h。近期，中科院團(tuán)隊(duì)[108]開發(fā)了FGOALS-3模式并對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了模擬研究，指出提高模擬分辨率及解決相關(guān)物理參數(shù)化問題能夠更加真實(shí)地模擬臺(tái)風(fēng)。此外，南京航空航天大學(xué)王浩[101]為了填補(bǔ)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下大型海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)安全性可靠分析方法的空白，建立了中/小尺度耦合臺(tái)風(fēng)過境多階段三維風(fēng)速場(chǎng)模擬方法架構(gòu)，并基于此進(jìn)行了多階段臺(tái)風(fēng)場(chǎng)模擬；以臺(tái)風(fēng)“黑格比”為例，給出了不同影響階段風(fēng)力機(jī)輪轂位置模擬風(fēng)譜與目標(biāo)譜對(duì)比（如圖14所示），由此發(fā)現(xiàn)風(fēng)工程規(guī)范中的常用經(jīng)驗(yàn)譜與實(shí)際臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜存在顯著差異。

圖14 臺(tái)風(fēng)“黑格比”（0822）全過程風(fēng)速場(chǎng)模擬[101]Fig. 14 Typhoon “Hagupit” (0822) full-track simulation[101]

疲勞荷載特性是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的重要問題。目前運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)多數(shù)未考慮極端條件臺(tái)風(fēng)的影響，可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)作用下發(fā)生破壞甚至失效。對(duì)此，學(xué)者們相繼開展了系列研究，主要是針對(duì)臺(tái)風(fēng)下的停機(jī)工況進(jìn)行氣動(dòng)載荷分析及風(fēng)-浪聯(lián)合作用下風(fēng)力機(jī)的疲勞載荷分析[109-110]。例如，Han等[111]采用改進(jìn)的von Karman譜結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重建了臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)的流場(chǎng)并用于風(fēng)力機(jī)的載荷模擬，發(fā)現(xiàn)眼壁區(qū)的載荷超過風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)載荷。Tang等[112]基于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別建立了風(fēng)速、風(fēng)向和湍流強(qiáng)度模型，并基于此研究了臺(tái)風(fēng)作用下處于停機(jī)狀態(tài)的風(fēng)力機(jī)整機(jī)（包括三個(gè)葉片、機(jī)艙和塔架）的非定常載荷分布特性。Sheng等[113]提出了一種整體模擬的程序框架，用于評(píng)估熱帶氣旋對(duì)海上風(fēng)力機(jī)的危害及風(fēng)力機(jī)失效概率，結(jié)果表明，對(duì)于半潛式風(fēng)力機(jī)來說塔架屈曲及浮臺(tái)傾覆為其主要失效方式。

綜上可知，海上風(fēng)電時(shí)代的到來為風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)引入了新內(nèi)容和問題，其中特別突出的幾點(diǎn)歸納如下：（1）海上風(fēng)資源缺乏準(zhǔn)確評(píng)估。與陸上風(fēng)資源相比，我國(guó)近海風(fēng)資源的普查和詳查工作還比較薄弱，尚缺乏高分辨率風(fēng)能資源圖譜。海上風(fēng)資源數(shù)據(jù)目前多來源于船舶、石油平臺(tái)、沿岸測(cè)風(fēng)塔、海島測(cè)風(fēng)塔和自動(dòng)氣象觀測(cè)站的觀測(cè)資料，海上風(fēng)能資源、海洋水文、地質(zhì)勘測(cè)等資料的積累相對(duì)滯后。（2）海上風(fēng)電機(jī)組受強(qiáng)風(fēng)載荷、海水腐蝕、海浪潮汐等復(fù)雜環(huán)境的耦合作用，設(shè)備故障率較高。由于風(fēng)電基礎(chǔ)受復(fù)雜的水下環(huán)境影響，因此在設(shè)計(jì)過程中，需綜合考慮海床地質(zhì)結(jié)構(gòu)、離岸距離、風(fēng)浪等級(jí)、海流情況等多方面因素。（3）海上風(fēng)力機(jī)葉片需采用抗臺(tái)風(fēng)、抗鹽蝕設(shè)計(jì)。我國(guó)東南沿海為臺(tái)風(fēng)多發(fā)地帶，臺(tái)風(fēng)極具破壞力，其極限風(fēng)速可超過90 m/s，對(duì)沿海風(fēng)電場(chǎng)危害極大。因此，增強(qiáng)海上風(fēng)力機(jī)的抗風(fēng)能力是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。一方面，需采用柔性槳葉，減小臺(tái)風(fēng)下受力，保護(hù)機(jī)組安全；另一方面，需增加剛性塔架的壁厚，避免局部缺陷引發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。此外，我國(guó)東南沿海氣候濕潤(rùn)，空氣濕度大，沿海風(fēng)電機(jī)組受鹽霧腐蝕嚴(yán)重，風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)效率明顯降低，因此機(jī)組設(shè)備應(yīng)當(dāng)采用防腐防潮設(shè)計(jì)。（4）海上風(fēng)電具有夜大晝小的日特性及冬大夏小的季特性（以廣東等沿海地區(qū)為例）；此外，發(fā)電功率具有波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)。這些均使得風(fēng)電出力具有顯著的反調(diào)峰特性，與當(dāng)?shù)仉娏ω?fù)荷特征匹配性較差，這對(duì)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力提出了新的挑戰(zhàn)。

4.2 氣動(dòng)彈性效應(yīng)

風(fēng)力機(jī)是一個(gè)剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)。隨著風(fēng)力機(jī)的大型化，柔性葉片在結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)方面表現(xiàn)出明顯的非線性特征，由氣動(dòng)載荷、彈性變形和結(jié)構(gòu)慣性耦合作用產(chǎn)生的葉片的氣動(dòng)彈性特性日益受到關(guān)注。氣動(dòng)彈性可能帶來以下幾方面重要影響[2]：（1）容易引起柔性風(fēng)輪、主軸、塔架等構(gòu)件的耦合振動(dòng)，影響風(fēng)力機(jī)性能和使用壽命。（2）構(gòu)件柔性變形對(duì)氣動(dòng)載荷的反饋及兩者的耦合效應(yīng)，影響風(fēng)力機(jī)性能與穩(wěn)定性。Kaminski等[114]針對(duì)13 MW風(fēng)力機(jī)的縮比測(cè)試表明：實(shí)際運(yùn)行過程中，超大型風(fēng)力機(jī)葉片將會(huì)表現(xiàn)出非常復(fù)雜的氣動(dòng)彈性特性，甚至誘導(dǎo)產(chǎn)生顫振等現(xiàn)象。尤其是現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)，因具有葉片、主軸和塔架等部件柔性較大的特性，氣彈研究具有十分重要的意義。

一般而言，柔性葉片的氣動(dòng)彈性模型由空氣動(dòng)力學(xué)模型和結(jié)構(gòu)模型兩部分構(gòu)成，前者用來計(jì)算氣動(dòng)載荷，后者則決定了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，圖15給出了典型的風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)彈性建模與模擬策略示意圖。葉片的氣動(dòng)計(jì)算模型已在前文詳述。需要注意的是，由于柔性葉片工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，翼型攻角隨結(jié)構(gòu)變形而變化，其氣動(dòng)載荷的非定常特性顯著，應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)失速效應(yīng)。結(jié)構(gòu)模型則可以大致分為：基于殼單元的三維有限元模型和基于梁?jiǎn)卧囊痪S梁模型。三維有限元模型的準(zhǔn)確性很高，但過高的計(jì)算成本限制了其應(yīng)用范圍。相比之下，梁模型兼顧了計(jì)算速度和準(zhǔn)確度，是目前應(yīng)用最廣泛的柔性葉片非線性動(dòng)力學(xué)模型。典型的一維梁模型有Euler-Bernoulli梁模型、Timoshenko梁模型、幾何精確梁模型等[115]。文獻(xiàn)[116]的研究表明，幾何精確梁模型由于考慮了葉片大變形產(chǎn)生的非線性特性，其結(jié)果更為準(zhǔn)確。

圖15 風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)彈性建模與模擬策略示意圖[39]Fig. 15 Schematic of the wind turbine aeroelastic modelling stretagy[39]

此外，為了在實(shí)現(xiàn)葉片輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)提高葉片承載能力，現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)葉片多由高強(qiáng)度比、高剛度比且低密度的復(fù)合材料制造。為此，在使用一維梁模型對(duì)葉片進(jìn)行氣動(dòng)彈性分析時(shí)，還必須考慮材料本身的性質(zhì)，即對(duì)葉片的橫截面性質(zhì)進(jìn)行分析。然而，復(fù)合材料本身的非線性特征以及復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得葉片的橫截面準(zhǔn)確建模變得非常困難。目前，常用的建模方法有三維有限元模型、二維有限元模型、經(jīng)典層合板理論等[6]。其中，三維有限元方法計(jì)算準(zhǔn)確度最高，但耗時(shí)也最長(zhǎng)；經(jīng)典層合板理論準(zhǔn)確性相對(duì)較差，但速度最快。在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目需求和條件進(jìn)行折中選擇。

4.3 流動(dòng)控制和新概念風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)

近年來，研究人員開始關(guān)注如何利用流動(dòng)控制技術(shù)改善葉片周圍流動(dòng)狀態(tài)或改善葉片載荷分布。Aubrun等[117]歸納了流動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)時(shí)將帶來的益處：（1）提升風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能，特別低風(fēng)速條件下的發(fā)電能力；（2）降低葉片的載荷波動(dòng)，進(jìn)而降低誘發(fā)的疲勞損傷，縮減維護(hù)成本；（3）降低高風(fēng)速條件下的極限載荷，從而減輕葉片質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。因此，風(fēng)力機(jī)流動(dòng)控制技術(shù)近年來成為風(fēng)力機(jī)流體力學(xué)研究的熱點(diǎn)。

根據(jù)是否需要額外的能量輸入，流動(dòng)控制技術(shù)可分為兩大類：主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)與被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)。主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)有：合成射流、等離子體激勵(lì)、尾緣襟翼、吹/吸氣等，被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)有：渦發(fā)生器、翼刀、凹凸前緣、格尼襟翼、后緣變形等。主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)具有較高的可靠性和適用性，但需要額外的能量輸入，因此增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且不需要額外的能量消耗，只著眼于葉片局部，可以以較小的結(jié)構(gòu)成本換取氣動(dòng)性能的提升，但其無法根據(jù)流場(chǎng)狀態(tài)調(diào)整控制策略，存在一定的局限性。各控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑及特點(diǎn)，可參閱風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)降載與流動(dòng)分離控制技術(shù)的綜述文獻(xiàn)[102，118-119]。

針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片增效的現(xiàn)實(shí)需求，主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)、被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)均可采用，其基本原理均是對(duì)流動(dòng)分離的控制。Zhu等[50]研究了渦流發(fā)生器在風(fēng)力機(jī)葉片上的控制機(jī)理；Troshin等[120]通過在葉片表面布置合成射流孔，有效提高了風(fēng)力機(jī)發(fā)電量；Cooney等[121]采用等離子體技術(shù)將風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率提升了2%～6%；李春等[122]將自適應(yīng)襟翼布置于葉片吸力面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流動(dòng)分離的有效控制；Sedighi等[123]在葉片吸力面增加一些凹坑將扭矩最大提升了約16.08%。值得一提的是，自適應(yīng)襟翼技術(shù)因同時(shí)具備無需能量注入和附著流工況自動(dòng)收回的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ牧鲃?dòng)控制技術(shù)之一[118]。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片降載的需求，主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用較為常見，且多以智能葉片的形式體現(xiàn)[124]。其中，最具代表性的是尾緣襟翼方式（如圖16所示）。其基本原理是：通過一定的控制策略，控制作動(dòng)器的運(yùn)行，以驅(qū)動(dòng)相關(guān)氣動(dòng)裝置，精細(xì)快速地調(diào)控葉片局部載荷，從而輔助實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片整體載荷的控制。國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)對(duì)此開展了大量研究工作。德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部（BMWi）自2012年起先后投入了2700萬歐元用于資助超大型風(fēng)力機(jī)的智能葉片設(shè)計(jì)研究（以尾緣襟翼為主要形式），以實(shí)現(xiàn)多兆瓦級(jí)大型風(fēng)力機(jī)在復(fù)雜工況條件下的減振、降載、增效等全方面設(shè)計(jì)指標(biāo)[125-126]。2021年，丹麥DTU風(fēng)能團(tuán)隊(duì)[127]在外場(chǎng)環(huán)境下針對(duì)4 MW風(fēng)力機(jī)開展了襟翼系統(tǒng)控制研究，通過測(cè)量葉片的整體氣動(dòng)參數(shù)、載荷及動(dòng)態(tài)響應(yīng)，檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的降載效果。此外，其他學(xué)者還提出了在翼型尾緣布置微插片和在前緣布置縫翼的設(shè)計(jì)思路[128]，其基本設(shè)計(jì)思想是通過增加附加結(jié)構(gòu)，使葉片的局部葉素從單葉素變?yōu)槎嗳~素，以實(shí)現(xiàn)升力和氣動(dòng)效率的提升。

圖16 基于擺動(dòng)尾緣襟翼的智能葉片示意圖[124]Fig. 16 Smart blade with flapping trailing edges[124]

總體而言，當(dāng)前流動(dòng)控制技術(shù)大多處于在研階段，尚未在風(fēng)力機(jī)葉片中得到廣泛應(yīng)用。主要原因?yàn)椋喝~片的流動(dòng)控制技術(shù)，特別是主動(dòng)控制技術(shù)，難以與機(jī)組的主體控制技術(shù)結(jié)合以達(dá)到相輔相成地適配總體效果；此外，部分技術(shù)的控制特點(diǎn)和機(jī)理，特別是真實(shí)運(yùn)行工況條件下的可行性，尚不明確。因此，今后研究中應(yīng)嘗試主動(dòng)、被動(dòng)流動(dòng)控制相結(jié)合的技術(shù)，以及葉片流動(dòng)控制與機(jī)組主體控制相協(xié)同的先進(jìn)控制策略，進(jìn)一步探明流動(dòng)控制機(jī)理，為工程應(yīng)用提供更全面更可靠的參考。

此外，受自然界中鳥類飛行、魚類游泳時(shí)呈現(xiàn)的低阻力、高升力的特性啟發(fā)，許多學(xué)者借鑒動(dòng)植物生理結(jié)構(gòu)特征，對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片外形進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，以提高風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率。近期突出的研究工作包括：Zhang等[129]借鑒座頭鯨魚鰭前部的結(jié)節(jié)構(gòu)造，設(shè)計(jì)不同葉片模型（圖17 a），從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面分析驗(yàn)證了這一結(jié)構(gòu)在提升葉片氣動(dòng)性能方面的效果。Zhong等[130]以NREL Phase VI葉片為基礎(chǔ)，在靠近葉片根部的位置重新設(shè)計(jì)了一種雙層結(jié)構(gòu)（圖17b），數(shù)值模擬結(jié)果表明這種結(jié)果可以有效增加轉(zhuǎn)矩，抑制葉片表面的分離流和徑向流；Momeni等[131]采用4D打印技術(shù)，通過模擬樹葉的紋理結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)力機(jī)葉片（圖17c），測(cè)試結(jié)果表明該葉片能夠?qū)崿F(xiàn)可逆的彎扭耦合，從而有望解決大型柔性葉片所面臨的顫振等問題。此外，有關(guān)大型水平軸風(fēng)力機(jī)新型葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究進(jìn)展，可參閱清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)的綜述性文獻(xiàn)[128]。

圖17 各種不同類型的風(fēng)力機(jī)仿生葉片設(shè)計(jì)Fig. 17 Various types of biomimetic wind turbine blade design

雖然當(dāng)前新概念風(fēng)力機(jī)葉片的研究還處于初期，研究對(duì)象多是小型風(fēng)力機(jī)，且缺乏實(shí)際外場(chǎng)環(huán)境下的驗(yàn)證，但是這一方向的研究具備廣闊的發(fā)展前景，有望為解決當(dāng)前大型風(fēng)力機(jī)發(fā)展過程中所面臨的復(fù)雜氣動(dòng)彈性問題提供借鑒和參考。

5 結(jié)論

全球風(fēng)能產(chǎn)業(yè)前景廣闊，各國(guó)政府不斷出臺(tái)鼓勵(lì)政策，風(fēng)電發(fā)展正在進(jìn)入迅速擴(kuò)張階段。與此同時(shí)，相應(yīng)的風(fēng)力機(jī)技術(shù)也需蓬勃發(fā)展與革新。其中，空氣動(dòng)力學(xué)作為首要和關(guān)鍵問題，一直是風(fēng)力機(jī)技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。然而，鑒于風(fēng)能問題本身的特殊性和復(fù)雜性，風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)問題亦呈現(xiàn)其特殊性和復(fù)雜性，面臨著諸多困難及挑戰(zhàn)。

本文以水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，就所涉及的關(guān)鍵空氣動(dòng)力學(xué)問題，從理論分析、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、外場(chǎng)測(cè)量、數(shù)值模擬和建立工程模型等方面著手，綜述了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并梳理和總結(jié)了已經(jīng)取得的重要進(jìn)展。文章主要內(nèi)容歸類如下：

1）風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力特性的復(fù)雜性。重點(diǎn)分析了風(fēng)力發(fā)電所面臨的復(fù)雜、嚴(yán)峻的流動(dòng)問題，特別指出后續(xù)風(fēng)力機(jī)大型化發(fā)展將面臨的新挑戰(zhàn)。

2）風(fēng)力機(jī)翼型及其氣動(dòng)特性。梳理了風(fēng)力機(jī)專用翼型的設(shè)計(jì)歷程及特點(diǎn)，概述了翼型設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及翼型氣動(dòng)性能評(píng)估、分析相關(guān)研究方法與進(jìn)展，指出了研究方法的提升空間和改進(jìn)方向。

3）風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性。從數(shù)值計(jì)算角度，以風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性相關(guān)的三大類主流計(jì)算分析方法為重點(diǎn)，介紹了近年來的研究進(jìn)展以及在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用情況。從實(shí)驗(yàn)角度，列舉了已開展的重要外場(chǎng)測(cè)試和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)工作，并介紹了國(guó)際著名機(jī)構(gòu)發(fā)起的具有較大影響力的研究專題。

4）現(xiàn)代化風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)與流動(dòng)控制。針對(duì)風(fēng)力機(jī)大型化、海洋化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)及其帶來的新問題和新現(xiàn)象，重點(diǎn)闡述了海上風(fēng)電和臺(tái)風(fēng)影響問題的研究進(jìn)展，探討了氣動(dòng)彈性現(xiàn)象及相關(guān)研究方法，分析了流動(dòng)控制技術(shù)和新概念風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)思想，為相關(guān)研究與應(yīng)用提供具體參考及實(shí)現(xiàn)途徑。

鑒于上述關(guān)鍵問題，水平軸風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的后續(xù)研究方向和重點(diǎn)可歸納為：

1）大氣湍流風(fēng)。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境高度復(fù)雜，涉及大氣湍流、分離流、動(dòng)態(tài)入流、動(dòng)態(tài)尾流、尾流干擾等空間非均勻、時(shí)間非定常的來流條件，這些流動(dòng)又受制于大氣環(huán)境、葉片/機(jī)組幾何外形、運(yùn)行狀態(tài)及風(fēng)輪氣動(dòng)特性等因素的影響，形成交互融合的狀態(tài)。因此，需重點(diǎn)開展外場(chǎng)真實(shí)復(fù)雜風(fēng)況的測(cè)量、仿真與建模研究，提供準(zhǔn)確可靠的機(jī)組運(yùn)行條件和工況。

2）風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的幾大類研究方法。實(shí)驗(yàn)方面，建立基礎(chǔ)研究所需的測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)和開展高質(zhì)量的風(fēng)洞和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，提供寶貴的數(shù)據(jù)庫、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和機(jī)理模型，并指導(dǎo)數(shù)值模型的驗(yàn)證和改進(jìn)。CFD方面，繼續(xù)改進(jìn)、完善和發(fā)展現(xiàn)有物理模型，提高預(yù)測(cè)精度，擴(kuò)展適用性和預(yù)測(cè)能力，重視高階、高效數(shù)值算法的發(fā)展及高精度模擬手段（如DES和LES技術(shù)）的應(yīng)用。

總之，風(fēng)能技術(shù)是一個(gè)高度多學(xué)科交叉融合的技術(shù)。對(duì)于這類涉及多學(xué)科的不確定度較大的系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)采用錢學(xué)森提出的系統(tǒng)工程方法，突破傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)/風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)思路，推進(jìn)新型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，開發(fā)面向未來需求的風(fēng)力機(jī)/風(fēng)電場(chǎng)，為風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展提供重要保障。