低空急流对近地表风力机械结构载荷的影响

万 芳，胡明泰，金立儒，陈 贺，郜志腾，李寿图，张旭耀

低空急流对近地表风力机械结构载荷的影响

万 芳1，胡明泰1，金立儒1，陈 贺1，郜志腾2※，李寿图3，张旭耀4

（1. 华能通渭风电有限责任公司，定西 743300；2. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；3. 兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050；4. 兰州交通大学新能源与动力工程学院，兰州 730070）

为分析低空急流对风力机械结构载荷的影响，该研究采用谐波叠加法对低空急流谱模型进行计算以生成大气入流，并基于叶素动量理论和几何精确梁方法对一台高度为270 m的15 MW风力机进行载荷分析。结果表明，低空急流在风力机高度范围内的速度剖面呈现射流和强剪切的耦合特征；低空急流最大可使风轮功率增大约40%，风轮俯仰力矩增大50%，风轮偏航力矩增大1.5倍，塔基偏航力矩的波动强度增加60%；同时，还会造成风轮偏航和俯仰力矩功率谱特性呈双阶梯型分布特征；当急流高度低于轮毂高度时，风力机俯仰力矩促使风轮向下倾斜，会增加风力机叶片打塔风险。因此，在低空急流多发地区安装风力机等高耸结构物时，应充分考虑低空急流对风力机结构载荷特性的影响。研究可为风力机在内的大尺寸高耸结构物的载荷安全性分析提供参考。

风力机；载荷；结构；低空急流；大气湍流

0 引 言

随着全球气候变暖现象愈演愈烈，极端天气现象频发，严重影响居民农业生产和工业环境。其中，低空急流普遍被认为是发生在大气边界层下层的窄而强的气流带，可以为极端降水提供有力环境背景场和充足水汽，因而会极大促进极端天气现象的发生[1]。低空急流现象广泛分布于世界各地，自20世纪30年代以来被气象学者广泛关注。低空急流在各个季节都有发生，整体而言夏季发生频次较高，且强度和覆盖范围也更大，在中国青藏高原地区、江淮地区、长江下游和海陆交界处频繁出现。通常来说，低空急流会对强降水事件[2]、农业活动[3]、航空[4]、风能利用[5]、沙尘暴[6]等产生重要影响。王东阡等[7]的研究表明低空急流具有明显的日变化特征，在中国东南地区的夜间和早晨发生频次很高。梁捷宁等[8]的研究表明低空急流强烈影响近地表大气的湍流特性，且常发生在稳定大气条件。程佳等[9]发现低空急流常发生在4～12 m/s风速区间内，且常出现在夜间稳定大气条件，而此风速区间是风力机械运行频次最高的风速区间。

边界层低空急流出现在1 500 m以下高度范围内，涵盖风力机的运行高度，是一种多尺度湍流结构，其结构中包含窄而强的急流带，急流带最大风速位置定义为急流高度，急流高度通常出现在1 500 m高度范围内[10]。对于千瓦级的风力机而言，由于其整机高度在百米及其以下量级，因而低空急流的影响较弱，学界较少对其研究。然而，随着风力机的大型化发展，5 MW级风力机高度在150 m量级，现有的8和10 MW风力机高度分别达到190 m和260 m量级，对于更大功率的15和20 MW风力机而言其整机高度更加大尺寸化，风力机尺寸已接近300 m量级[11]，这使得在约500 m以下靠近风轮的范围内，边界层湍流结构对于风力机安全性的影响极为重要[12-14]。为了保障近地表边界层内的风力机械等结构物的运行安全性，需要开展低空急流对其载荷响应特性影响的研究。杨从新等[15-16]基于静态射流和剪切流模型研究了低空急流结构变化对1.5 MW水平轴风力机气动特性的影响，发现急流宽度和强度增加会引起叶片吸力面失速区扩大，叶片前缘失速点提前；张旭耀等[5,17]研究表明低空急流会造成风轮推力、转矩、横向和纵向力等量的均方根最大值增大12.9%～75.6%。金锐[18]在偏航条件下分析了低空急流对风力机气动性能的影响，发现低空急流增强了叶片流动分离，风力机转矩波动特性增强。Zhang等[19-20]基于低空急流脉动谱和工程射流模型建立了一个工程低空急流湍流入流模型，并基于该模型对风力机气动载荷进行分析，发现低空急流导致风轮扫掠面积内存在正、负风切变，增加了风轮功率。

以上研究基于静态的低空急流的射流模型针对1.5 MW级的水平轴风力机进行了详细研究，然而静态模型只能用于分析大气的平均特征对风力机载荷平均特性的影响，且大气边界层中低空急流对小尺寸风电机组的影响也较弱，难以真实反应现代大型化风电机组在面对低空急流等大尺寸湍流来流时的载荷响应特性。因此，为了探究低空急流对大型化风力机结构载荷的影响，本文以一台全尺寸15 MW三叶片水平轴风力机为例，开展低空急流对风力机风轮功率、风轮偏航和俯仰力矩、塔架基础力矩等载荷特性的影响研究。

1 风力机模型和试验方法

1.1 风力机模型

本文以一台全尺寸15 MW水平轴风力机为研究对象（如图1所示），该风力机叶片长度为117 m，风轮直径为240 m，轮毂高度为150 m，故整个风力机最高处为270 m。该风力机叶片采用FFA-W3翼型族，额定风速为10.59 m/s，设计叶尖速比为9，其他设计参数如表1所示。如前所述，由于边界层低空急流中急流高度通常出现在200～1 500 m的高度范围内，尺寸越大的风力机在低空急流下的载荷响应越显著。此外，受双碳减排战略目标和风电成本退补贴的双重影响，现有的8～10 MW机组的成本优势逐步降低，15 MW及更大功率的风电机组是发展的趋势之一，因此，本文选择15 MW全尺寸大功率风力机作为研究对象。

注：下标为tower的坐标系为塔架坐标系，塔基为原点。下标为rotor的坐标系为风轮坐标系，风轮旋转中心为原点。x、y、z分别为迎风方向、横风方向和垂向。

1.2 试验方法

本文基于Low-Level Jet（LLJ）项目[21]开展数值方法的验证工作，该项目的测试结果代表了中纬度地区低空急流的典型来流风速特性。如图2所示，该项目测试地点的经纬度为北纬37°40′和西经102°40′，海拔高1 357 m。测量系统由1个120 m测风塔和1个声波风廓线仪组成。测风塔在地表之上3、52和113 m的高度处设置三维风速仪和温度传感器，主要用于校准声波风廓线仪。声波风廓线仪能够测量20～1 000 m范围内每间隔10 m处的风速。由于风力机的尺寸效应，500 m以下的大气湍流对风力机的影响更直接，因此本文选取20～500 m范围内的风速数据用于数值验证。

表1 15 MW风力机主要参数

图2 测试地点及系统示意图

2 数值方法与验证

2.1 湍流风场的数值仿真方法

式中为垂向高度，m；()为阶Chebyshev多项式；c为Chebyshev系数，该系数基于实测结果进行计算：

丹麦技术大学Risø实验室开发的Smooth-Terrain风谱模型[22-23]是针对真实平坦地形的风谱模型，反映了无地形干扰条件下大气湍流来流特性。基于该模型和长时低空急流数据进行模型缩放可得低空急流谱模型[21]。稳定大气条件下的低空急流脉动谱模型为

式中*为地表摩擦速度，m/s；*为轮毂高度、转子顶部和转子底部摩擦速度的均值，m/s；为频率，Hz；p,i和,i为拟合所得的缩放因子。对于顺风向脉动谱（S）和横风向脉动谱（S），=2；对于垂向脉动谱（S），=1。S,SMOOTH为

基于谐波叠加法[24]进行任意点处脉动风速()的生成，其单位为m/s。第个点的脉动风速为

式中为计算点个数，为脉动谱进行Cholesky分解所得下三角阵，为0～2π内的随机数。、D和()分别为

2.2 风力机载荷计算模型

采用叶素动量理论耦合几何精确梁的方法[25-26]对该风力机进行载荷响应的求解。钱晓航等[26]研究表明，对于中等尺寸的风力机如NREL 5 MW风力机，线性梁理论与几何精确梁理论误差约为1.12%，而对于超大尺寸风力机如15 MW，线性梁理论与几何精确梁理论的计算误差约为29%。因此，对于单支叶片长达117 m的15 MW风力机，本文基于叶素动量理论，采用几何精确梁方法计算该风力机的动态载荷响应，以保证百米级大柔性风力机载荷的数值精度。对于载荷计算，基于动量理论和叶素理论都可求得叶素单元上的推力d（N）和转矩d（N·m），其中，动量理论所得推力和转矩的计算公式为

叶素理论则基于翼型升阻力特性求解推力和转矩

式中为大气密度，kg/m3；为当前叶素单元距旋转中心的距离，m；为翼型前缘来流风速，m/s；为合成速度，m/s；和为诱导因子；为风轮转速，r/min；为叶片数；为弦长，m；C和C分别为翼型的升阻力系数。为入流角，计算公式为

式中为叶素单元处角速度，rad/s。

联立式（9）和式（10）即可得诱导因子方程：

由于诱导因子和不确定，需要迭代求解，即先设诱导因子的初值，之后根据式（11）求解入流角，求得攻角后再根据翼型升阻力系数代入式（12）计算诱导因子，当新计算出的诱导因子与上一步诱导因子相差小于0.001时计算收敛，同时得到叶片上的推力和转矩的分布，积分即可得风力机的推力和转矩，则功率P为

在利用叶素动量理论进行载荷和功率的计算时，必须要引入Glauert大推力修正。除此以外，本文中还引入了Prandtl叶尖和叶根涡修正模型、Pitt-Peters的偏斜风修正[27]，以提高湍流来流下风力机载荷计算的准确性。另外，在后文的无量纲化分析中，风速的无量纲化采用轮毂处的平均来流风速进行计算，风力机载荷的无量纲化采用基于Kaimal谱[28]所生成风场下的载荷平均值进行计算，因而其载荷无量纲化数值直接代表Kaimal谱下载荷平均值的倍数关系。

2.3 数值方法验证

为了验证数值方法的准确性，对该风力机在切入风速到切出风速（3～25 m/s）工作区间的功率和推力进行计算，结果如图3所示。从图中可以看出，叶素动量理论耦合几何精确梁的方法在风力机整个运行期间（切入风速到切出风速）内计算所得功率值、推力值都与理论值相符，在较高风速区间下计算结果略大于理论值，但整体误差都在10%以内；在额定风速以下，数值误差在5%以内，数值结果与理论值吻合良好。因此，在下文的数值计算中，所有算例轮毂处的来流风速均设置为10.5 m/s，以保证最佳的数值精度来分析低空急流对风力机载荷的影响。

a. 风力机功率b. 风力机推力 a. Wind turbine powerb. Wind turbine thrust

低空急流随着高度的不同具有不同的平均风速剖面，脉动风速谱也遵循1.1节谱模型的特性规律。为了验证数值计算中低空急流的模拟精度，分别对平均风速剖面和脉动风速的功率谱进行验证，结果如图4所示。图 4a为低空急流高度（H）为241、303 和221 m时平均风速剖面数值结果与试验值的对比。从对比结果可以看出，低空急流平均风速模型能够如实反映出低空急流不同急流高度和急流宽度下的风速分布特性，轮毂高度处的脉动风速功率谱与目标谱结果相符，这表明本文所采用的低空急流生成方法能够反映真实来流条件下低空急流的平均风速特性和脉动风速特征。

图4 低空急流的平均风速分布和脉动风速的验证

3 结果与分析

3.1 低空急流对风力机功率特性的影响

低空急流风速剖面呈现剪切和射流两种模式的耦合特征（如图5所示），分别反应了大气边界层内的剪切效应和低空急流所特有的窄而强的急流带特征。受低空急流高度影响，当低空急流高度小于轮毂高度（150 m）时，风力机下部的扫掠范围内呈现风剪切和射流的叠加型式；当低空急流高度大于轮毂高度时，急流高度越大，风轮扫掠范围内的风速越接近于强剪切来流[5]。

为了分析低空急流对风力机功率特性的影响，设定轮毂高度处来流风速为10.5 m/s，分别采用Kaimal湍流风速谱和不同急流高度下的低空急流风速谱为入流模型生成来流湍流风速。由于该15 MW风力机轮毂高度为150 m，因此在设置急流高度时，距轮毂高度每间隔35 m设置1个工况，即H= 80，115，150，185，220和255 m。顺风向和横风向上的无量纲化平均风速分布如图6所示。对比Kaimal谱模型，急流高度小于轮毂高度的低空急流在轮毂高度以下风速较大，在轮毂高度以上风速低于Kaimal谱模型；急流高度大于轮毂高度的低空急流，轮毂高度以下风速略小于Kaimal谱模型，但轮毂高度以上的风速远大于Kaimal谱模型。综上所述，随着急流高度的不同，对于影响风力机的入流而言，低空急流会导致其扫掠范围内的来流风速剖面呈现2种模式的耦合特征，其中射流可能会引起风轮局部叶片段出现载荷集中区，而剪切则会使得风力机载荷特性发生变化。

图5 低空急流条件下风速分布的典型模式

图7为Kaimal谱和低空急流谱模型下风轮无量纲化功率与急流高度的关系。由于在进行无量纲化时，以Kaimal谱条件下所得风轮平均功率对低空急流下风轮功率进行无量纲化，因此可以得出，当急流高度等于轮毂高度（H= 150 m）时，风轮无量纲化功率比Kaimal谱条件下风轮的无量纲功率低约20%；当急流高度小于轮毂高度（H< 150 m）时，高度越低，风轮无量纲功率越大，最大比Kaimal谱高出约40%；当急流高度大于轮毂高度（H> 150 m）时，高度越大，风轮无量纲功率越高，最大比Kaimal谱高约2%左右。这是由于，当低空急流高度等于轮毂高度时，由于数值中轮毂高度处风速一致，因而其扫掠面积内风速最大值出现在轮毂高度，其他范围内风速比Kaimal谱小，因此无量纲化功率较低；而当低空急流高度小于轮毂高度时，在风力机扫掠面积下侧有一股射流型的强风冲击风轮，风速远大于Kaimal谱，因而风轮无量纲功率较大；当急流高度大于轮毂高度时，低空急流同样引起风轮扫掠面积上半部分风能增加，但此时大气来流随急流高度增大而趋近于强剪切，整体来流风能与Kaimal谱相比增加幅度较少，因而无量纲化功率增高幅度有限。

综上所述，当低空急流高度大于风轮轮毂高度时，大气来流对风轮功率的作用以强剪切特性为主，相同轮毂处来流风速条件下对风力机功率特性的影响较弱；而当低空急流高度小于风轮轮毂高度时，大气来流对风轮功率的作用以射流特性为主，相同来流风速下，风力机功率特性会激增最大约40%。

图6 不同急流高度(Hjet)的低空急流和Kaimal谱湍流风

图7 不同急流高度低空急流下的无量纲化风轮功率

3.2 低空急流对风力机风轮载荷的影响

低空急流随着急流高度的不同，会在风轮扫掠面积内对风力机造成急流和剪切两种型式耦合下的风作用特点，这种效应除了会对风力机功率特性造成影响，更会造成风力机风轮载荷特性发生变化，影响风力机风轮的运行安全性。为了分析低空急流对风力机风轮载荷特性的影响，分别以风轮俯仰力矩和风轮偏航力矩为研究对象，分析二者在Kaimal谱和不同急流高度的低空急流谱条件下的非定常载荷响应。

3.2.1 风轮俯仰力矩

图8为Kaimal谱和不同急流高度的低空急流模型下风轮俯仰力矩的时程曲线和无量纲化俯仰力矩的时均值。从图中可以看出，随着急流高度的增大，无量纲化俯仰力矩从正值减小到Kaimal谱俯仰力矩负值的1.5倍左右。由于Kaimal谱条件下风轮俯仰力矩时均值约为-737.6 kN·m，风轮沿着rotor向上倾斜，故无量纲化俯仰力矩为负值时，俯仰力矩方向与Kaimal谱下俯仰力矩方向相反，风轮向下倾斜；无量纲俯仰力矩为正值时，风轮向上倾斜。当低空急流高度小于轮毂高度时，下半扫掠面积内风能呈现射流型特征，风轮整体呈现向下倾斜的态势，俯仰力矩为正值，此时风轮叶片面临打塔风险；而当急流高度大于轮毂高度时，此时风轮扫掠面积内风能以强剪切特征为主，风轮整体呈现向上倾斜的态势，俯仰力矩为负值，最大约比Kaimal谱值高约50%。虽然此时风轮叶片不会出现显著的打塔风险，但强剪切特性导致的俯仰力矩增大也会使得风力机主轴载荷增加，影响风力机的安全运行。

图8 不同急流高度条件下的风轮俯仰力矩

图9为不同湍流风谱模型下风轮俯仰力矩所对应的功率谱密度（Φ）曲线。从图中可以看出，随着急流高度的增加，俯仰力矩功率谱密度在低频段整体呈现增加的趋势。同时，Kaimal谱和低空急流谱条件下，俯仰力矩在风轮转频（≈ 0.13 Hz）的1倍频、2倍频、4倍频、5倍频等频率上呈现功率谱集中的趋势，但整体功率谱密度逐渐减小；在7～10倍的风轮转频上功率谱密度呈现二次增大的趋势。在（1～5）的递减段和（7～10）二次增大段之间，存在一个临界频率f= 0.79 Hz，当大气中的湍流结构大于临界频率f时，风轮俯仰力矩的倍频响应会与来流中旋涡频率发生交互作用，呈现整体谱密度趋势二次增大的趋势；而当大气中湍流结构小于临界频率f时，主要是风力机转频的倍频响应占主导地位。

注：P为风轮转频，Hz；fc为临界频率，Hz。下同。

3.2.2 风轮偏航力矩

由图6b可知，低空急流不仅会在顺风向上产生射流和强剪切的叠加作用，也会在横风向上引起来流的急剧变化，故而对风力机偏航力矩也会产生影响。图10为Kaimal谱和不同急流高度的低空急流模型下风轮偏航力矩的时程曲线及其无量纲化时均值。从图中可以看出，随着急流高度的增加，风轮偏航力矩呈现显著的单调递增趋势。Kaimal谱时均偏航力矩约为189 kN·m，低空急流条件下，随着急流高度的增大，时均偏航力矩最大可增至Kaimal偏航力矩的2.5倍左右。由于在数值计算中采用固定偏航角的设置，偏航力矩的增大会造成偏航轴承荷载增大，因此，在较强的低空急流天气来临时，因调整风力机偏航策略以避免对风力机轴承结构产生较大影响。

图11为Kaimal谱和不同低空急流条件下风力机偏航力矩的功率谱。与俯仰力矩相同，偏航力矩的功率谱曲线密度（Φ）曲线的整体趋势也呈现双阶梯型分布特征，即（1～5）的递减段和（7～10）二次增大段，其中，临界频率f以后的二次增大段是由于大气湍流结构的多尺度频率与风轮转频的倍频交互发生的耦合响应特征。

图11 偏航力矩的功率谱

3.3 低空急流对风力机塔架基础载荷的影响

对于本文所研究的15 MW水平轴风力机而言，轮毂高度为150 m，风轮半径为120 m，因而其总高度可达270 m。低空急流会引起风轮扫掠面积内来流呈现射流和剪切特征的影响，则对于270 m高度的高耸机械结构而言，塔基的结构载荷响应特性也十分重要。图12为Kaimal谱和不同低空急流条件下塔基力矩特性（,,）与来流的关联特性分析。从图中可以看出，对于塔基载荷在轴和轴的分量、来说，随着低空急流高度的增加，二者都呈现先减小后增大的趋势。当急流高度等于轮毂高度处时，最大减小28%，最大减小18%；当急流高度不等于轮毂高度时，最大增加Kaimal谱塔基力矩的21%，最大增加Kaimal谱塔基力矩的52%。塔基力矩的轴分量随着急流高度的增大从负值变为正值，最大增至Kaimal谱塔基力矩的3倍左右。为俯仰方向的塔基力矩，当低空急流高度小于轮毂高度时，达到最大值。根据3.1节的分析，由于在低空急流高度小于轮毂高度时，整个风力机高度范围内所面临的来流风能呈现射流和强剪切耦合特征，且射流特征占主导地位，故而引起塔基俯仰方向的力矩增大52%，这在风力机塔基设计中需要着重进行考虑。对于塔基力矩的功率谱特性，三个方向的功率谱都呈现出风轮转频的倍数关系，即呈现出3、6和9等谱密度的集中区。为了量化不同风速谱条件下的力矩谱密度的脉动特性，对整个频域内功率谱的积分特性进行分析。可以看出，对于方向和方向的塔基力矩分量，均在急流高度等于轮毂高度处时达到峰值，分别比Kaimal谱增大约20%和60%；而方向的塔基力矩功率谱积分值整体约为Kaimal谱的40%～48%。以上结果表明，低空急流主要会引起塔基力矩在方向和方向上的脉动特性增强，最大可引起塔基偏航方向的力矩波动比Kaimal谱增强60%，故在风力机塔架设计中，应重点关注塔基偏航方向（方向）上载荷的波动性。最后，为了分析脉动来流对风力机塔基力矩的时程作用规律，对3个塔基力矩分量的小波谱和对应轮毂高度处来流的雷诺应力的3个切应力分量（τ、τ、τ）进行联合分析。从图中可以看出，当3个分量的雷诺应力出现较大值时，塔基力矩小波谱对应时段出现较强的能量流率，这表明来流中的各向异性涡结构会引起塔基力矩的不同频段的强烈响应，大气来流中的各向异性涡结构的能量被传递到风力机结构中，这可能会对风力机疲劳特性造成影响。

4 讨 论

从载荷响应的大小来看，低空急流主要会影响风力机偏航力矩，而当采用Kaimal谱时，难以考虑这种极端载荷情况。因此，在低空急流频繁出现的地区，在风力机偏航轴承设计时，其所采用的设计力矩应比标准值增大1.5倍以上。当低空急流高度小于风力机轮毂高度时，其风速剖面内窄而强的急流带还会对柔性叶片产生冲击，加大叶片的变形量，这需要在风力机设计时加大叶片的预弯幅度，以避免出现叶片打塔事故。低空急流还会使得塔架偏航方向上载荷波动性增加，这会影响风力机塔架的疲劳特性。为了避免塔架产生疲劳破坏，除了在塔架设计中加强偏航方向的设计载荷，在低空急流来临时，还可以采用主动偏航、顺桨等方式降低风轮迎风面积，进而降低叶片上的气动载荷。

在未来的工作中，课题组将对不同低空急流条件下风力机的降载控制方法开展研究。在低空急流发生时期，通过叶片主动变桨、转速控制或机组主动偏航等方式不仅可以降低风轮载荷和塔基载荷，增加机组安全性，而且能够保证风力机在不停机状态下持续运行，保障电力输出的稳定性。

5 结 论

为了研究低空急流对风力机械高耸结构物的影响，以一台总高度为270 m的15 MW风力机为研究对象，在80～225 m的高度范围内分析不同急流高度对风力机功率、风轮及塔架载荷的影响，并与Kaimal谱特性来流条件下的风力机响应进行对比，结果表明：

1）对于风力机高度范围内的来流而言，低空急流随着急流高度不同呈现出射流和剪切两种形式的耦合特性：当急流高度大于轮毂高度时，风力机的载荷响应以剪切特征为主；当急流高度小于轮毂高度时，则射流特征占主导地位。

2）相对于Kaimal谱而言，低空急流最大可使风轮功率增大约40%，风轮俯仰力矩增大约50%，风轮偏航力矩增大1.5倍，塔基俯仰力矩增大约52%，塔基偏航力矩的波动强度增加60%左右，这主要是由于低空急流射流和剪切耦合作用的影响。

3）不同急流高度下，风轮的偏航力矩和俯仰力矩的功率谱特性呈现双阶梯型分布特征，分别为（1～5）的递减段和（7～10）（为风轮转频，Hz）二次增大段，后者是受大气涡结构多尺度频率与风轮转频交互作用的影响。

4）来流中各向异性的雷诺应力会引起塔基力矩在对应时段不用频率段上出现强烈响应，其中引起塔基偏航方向的力矩波动较大，最大比Kaimal谱大约60%。

[1] 刘鸿波，何明洋，王斌，等. 低空急流的研究进展与展望[J]. 气象学报，2014，72(2)：191-206.

Liu Hongbo, He Mingyang, Wang Bin, et al. Advances in low-level jet research and future prospects[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2014, 72(2): 191-206. (in Chinese with English abstract)

[2] 黄小彦，孙继松，刘文婷. 地形作用下低空急流的演变与强降水对流风暴系统的相互作用[J]. 气象学报，2020，78(4)：551-567.

Huang Xiaoyan, Sun Jisong, Liu Wenting. The interaction between low-level jet evolution and severe convective rainstorms under topographic effect[J]. Acta Meteorologica Sinica, 2020, 78(4): 551-567. (in Chinese with English abstract)

[3] 包云轩，谢杰，向勇，等. 低空急流对中国褐飞虱重大北迁过程的影响[J]. 生态学报，2009，29(11)：5773-5782.

Bao Yunxuan, Xie Jie, Xiang Yong, et al. Influence of low-level jets on the great events of BPH's migration northward in China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(11): 5773-5782. (in Chinese with English abstract)

[4] 李健，栗敬仁，田军. 利用风廓线雷达研究郑州机场低空急流特征及其对飞行的影响[J]. 热带气象学报，2019，35(3)：343-352.

Li Jian, Li Jingren, Tian Jun. Study on the characteristics of low-level jet and its impact on flights at Zhengzhou airport based on wind profiler radar data[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2019, 35(3): 343-352. (in Chinese with English abstract)

[5] 张旭耀，杨从新，金锐，等. 低空急流条件下水平轴风力机风轮气动特性的研究[J]. 太阳能学报，2021，42(3)：1-8.

Zhang Xuyao, Yang Congxin, Jin Rui, et al. Study on aerodynamic characteristics of horizontal axis wind turbine under low-level jet inflow condition[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2021, 42(3): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[6] 彭舒龄，周树道，卫克晶，等. 京津冀地区一次强沙尘天气过程的成因及特征[J]. 大气科学学报，2019，42(6)：926-935.

Peng Shuling, Zhou Shudao, Wei Kejing, et al. Causes and characteristics of a dust weather process in the Beijing-Tianjin-Hebei region[J]. Transactions of Atmospheric Sciences, 2019, 42(6): 926-935. (in Chinese with English abstract)

[7] 王东阡，张耀存. 中国东部西南低空急流日变化特征及其机制[J]. 地球物理学报，2012，55(8)：2498-2507.

Wang Dongqian, Zhang Yaocun. Diurnal variation of the south-westerly low-level jet over eastern China and its mechanism[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2012, 55(8): 2498-2507. (in Chinese with English abstract)

[8] 梁捷宁，张镭，田鹏飞，等. 黄土高原复杂地形上边界层低空急流对近地层湍流的影响[J]. 地球物理学报，2014，57(5)：1387-1398.

Liang Jiening, Zhang Lei, Tian Pengfei, et al. Impact of low-level jets on turbulent in nocturnal boundary layer over complex terrain of the Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2014, 57(5): 1387-1398. (in Chinese with English abstract)

[9] 程佳，张宁，朱焱，等. 苏州城区大气边界层低空急流特征分析[J]. 气象科学，2016，36(6)：843-848.

Cheng Jia, Zhang Ning, Zhu Yan, et al. Analysis on low-level jet in atmospheric boundary layer in Suzhou[J]. Journal of the Meteorological Sciences, 2016, 36(6): 843-848. (in Chinese with English abstract)

[10] Stull R B. An introduction to boundary layer meteorology[M]. Dordrect: Springer Netherlands, 1988, 571-578.

[11] Gaertner E, Rinker J, Sethuraman L, et al. Definition of the IEA 15-Megawatt Offshore Reference Wind Turbine[R]. Denver, United States: National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-5000-75698, 2020.

[12] 李德顺，胡渊，李仁年，等. 强湍流相干结构对偏航风力机叶根载荷的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(20)：102-109.

Li Deshun, Hu Yuan, Li Rennian, et al. Effects of strong turbulence structure coherent on load of blade root in a yaw wind turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 102-109. (in Chinese with English abstract)

[13] 邓英，李嘉楠，刘河生，等. 风电机组尾流与疲劳载荷关系分析[J]. 农业工程学报，2017，33(10)：239-244.

Deng Ying, Li Jianan, Liu Hesheng, et al. Analysis on relationship between wake and fatigue load of wind turbines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 239-244. (in Chinese with English abstract)

[14] 李德顺，王亚娥，郭兴铎，等. 沙粒形状对风力机翼型磨损特性及临界颗粒Stokes数的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(12)：224-231.

Li Deshun, Wang Ya'e, Guo Xingduo, et al. Effects of particle shape on erosion characteristics and critical particle Stokes number of wind turbine airfoil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 224-231. (in Chinese with English abstract)

[15] 杨从新，罗颂，李寿图，等. 低空急流结构变化对水平轴风力机气动性能的影响[J]. 太阳能学报，2020，41(5)：107-113.

Yang Congxin, Luo Song, Li Shoutu, et al. Effects of different low-level jet structures on aerodynamic performance of horizontal axis wind turbine[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2020, 41(5): 107-113. (in Chinese with English abstract)

[16] 杨从新，罗颂，李寿图，等. 一种低空急流对水平轴风力机气动性能的影响[J]. 兰州理工大学学报，2020，46(1)：53-59.

Yang Congxin, Luo Song, Li Shoutu, et al. Effect of a kind of low-level jet on aerodynamic performance of horizontal-axis wind turbine[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2020, 46(1): 53-59. (in Chinese with English abstract)

[17] 张旭耀，杨从新，何攀，等. 低空急流高度变化对水平轴风力机气动载荷的影响[J]. 中国电机工程学报，2019，39(10)：2980-2987.

Zhang Xuyao, Yang Congxin, He Pan, et al. Influences of the heights of low-level jet on aerodynamic loads of horizontal axis wind turbine[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(10): 2980-2987. (in Chinese with English abstract)

[18] 金锐. 偏航工况下低空急流对水平轴风力机气动性能的影响[D]. 兰州：兰州理工大学，2019.

Jin Rui. Effect of Low-Level Jet on Aerodynamic Performance of Horizontal-Axis Wind Turbine Under Yaw Conditions[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2019. (in Chinese with English abstract).

[19] Zhang X, Yang C, Li S. Influence of the heights of low-level jets on power and aerodynamic loads of a horizontal axis wind turbine rotor[J]. Atmosphere, 2019, 10(3): 132.

[20] Zhang X, Yang C, Li S. Influence of low-level jet intensity on aerodynamic loads of horizontal axis wind turbine rotor[J]. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 2019, 13(1): 300-308.

[21] Kelley N D, Shirazi M, Jager D, et al. Lamar Low-Level Jet Project Interim Report[R]. Denver, United States: National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-500-34593, 2004.

[22] Højstrup J. Velocity spectra in the unstable planetary boundary layer[J]. Journal of the Atmospheric Sciences, 1982, 39(10): 2239-2248.

[23] Olesen H R, Larsen S E, Højstrup J. Modelling velocity spectra in the lower part of the planetary boundary layer[J]. Boundary-Layer Meteorology, 1984, 29(3): 285-312.

[24] 杨从新，郜志腾，张旭耀. 基于改进VonKarman模型的风力机来流三维风速模拟[J]. 农业工程学报，2016，32(15)：39-46.

Yang Congxin, Gao Zhiteng, Zhang Xuyao. Simulation of 3D wind velocity inflowing into wind turbine based on improved Von Karman model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(15): 39-46. (in Chinese with English abstract)

[25] 郜志腾. 中性风场中风速脉动对水平轴风力机气动特性的影响[D]. 兰州：兰州理工大学，2017.

Gao Zhiteng. Effects of Wind Velocity Fluctuation in Neutral Atmospheric Wind Farm on the Aerodynamic Characteristics of the Horizontal Axis Wind Turbine[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2017. (in Chinese with English abstract)

[26] 钱晓航，郜志腾，王同光，等. 百米级大柔性风电叶片非线性气弹响应分析[J]. 空气动力学学报，2022，40(4)：220-230.

Qian Xiaohang, Gao Zhiteng, Wang Tongguang, et al. Nonlinear aeroelastic response analysis of 100-meter-scale flexible wind turbine blades[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2022, 40(4): 220−230. (in Chinese with English abstract)

[27] Burton T, Sharpe D, Jenkins N, et al. Wind Energy Handbook[M]. New York, United States: John Wiley&Sons, Ltd, 2001: 100-149.

[28] The International Electrotechnical Commission. Wind energy generation systems-Part 1: Design requirements, IEC 61400-1[S]. Geneva, Switzerland: IHS Markit Ltd, 2019.

Influence of low-level jet on structural loads of near-surface wind turbines

Wan Fang1, Hu Mingtai1, Jin Liru1, Chen He1, Gao Zhiteng2※, Li Shoutu3, Zhang Xuyao4

(1.,743300,; 2.,,,200240,; 3.,,730050,; 4.,,730070,)

Wind turbines have been widely applied to convert the kinetic energy of wind into electrical energy. Among them, the yaw system of wind turbine is the one of the most important components to rotate the rotor optimally into the wind direction. However, the load fluctuation has posed a great challenge on the safety and reliability of yaw system. This study aims to clarify the influence of the low-level jet (LLJ) on the structural loads of the wind turbine. The harmonic superposition was firstly used to generate the atmospheric turbulence using the LLJ wind speed spectrum and a jet model. Then, the power and thrust were calculated for a 15 MW wind turbine using the blade element momentum(BEM) and geometrically exact beam theory (GEBT). The numerical accuracy was also validated against the theoretical values. It was found that the overall numerical error was less than 10%, where the numerical error below the rated wind speed was less than 5%. A systematic analysis was made to determine the power performance, rotor yaw moment, rotor pitch moment, and tower foundation moment in the 15 MW wind turbine under different LLJ conditions. The results showed that two coupling effects of the jet and strong shear were identified in the height range of the wind turbine. Specifically, the dominant type was changed with the jet height. Once the jet height was lower than the hub height, the dominant type was the jet; when the jet height was higher than the hub height, the dominant type was the strong shear. Correspondingly, the rotor power, rotor pitching moment, and rotor yaw moment of the LLJ increased by about 40%, 50%, and 1.5 times than before, respectively. The fluctuation intensity of the yaw moment for the tower base also increased by 60% of the loads in the condition of the LLJ spectrum. Therefore, the regions with the frequent LLJ streams needed to be considered for the design of the yaw bearings, tower foundations, and components of wind turbine. At the same time, the power spectrum characteristics of the rotor yaw and pitch moment were distributed in a double-staircase type, which was mainly divided into a decreasing and a secondary increasing stage. Among them, the secondary increasing stage was caused by the coupled response of multi-scale frequency in the atmospheric turbulence and the rotational frequency of wind turbine. When the jet height was lower than the hub height of wind turbine, the pitching moment of the rotor caused the wind turbine to tilt downward. There was the risk of the wind turbine blades hitting the tower. A full consideration was also made to determine the impact of the LLJs on the structural load characteristics, when installing the high-rise structures, such as the wind turbines in the areas with the frequent LLJs. Finally, there was the anisotropic Reynolds stress in the incoming flow. A strong response of the tower base moment was then observed at different frequencies in the corresponding time period. The larger moment fluctuation was posed a threat to the yaw direction of the tower base. Specifically, the maximum moment fluctuation was about 60% higher than that in the Kaimal spectrum. Therefore, controlling the fluctuation characteristicsof tower load in the yaw direction can greatly contribute to the lessimpact on the fatigue characteristics of wind turbines in the regions with the frequent LLJs.

wind turbine; load; structure; low-level jet; atmospheric turbulence

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.012

TK83；TK89；TM315

A

1002-6819(2022)-16-0107-10

万芳，胡明泰，金立儒，等. 低空急流对近地表风力机械结构载荷的影响[J]. 农业工程学报，2022，38(16)：107-116.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.012 http://www.tcsae.org

Wan Fang, Hu Mingtai, Jin Liru, et al. Influence of low-level jet on structural loads of near-surface wind turbines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 107-116. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.012 http://www.tcsae.org

2022-03-19

2022-08-08

华能甘肃能源开发有限公司众创项目(HNGSZC-2021-023)；国家自然科学基金项目(12162022, 12062012)；甘肃省青年科技基金计划（20JR10RA264）；甘肃省高等学校创新基金项目（2021A-035）

万芳，工程师，研究方向为风力机载荷分析研究。Email：349071216@qq.com

郜志腾，博士，助理研究员，研究方向为风力机空气动力学研究。Email：gzt200361@163.com