燃烧化石燃料对环境的影响是多方面的，其中包括温室气体排放、空气污染、气候变化以及资源枯竭等问题。这些问题推动了全球对可再生能源，特别是风能的兴趣和投资。风能作为一种清洁能源，具有不排放温室气体、可再生、分布广泛等优点。然而，风能的密度相对较低，且不稳定，受地理位置和天气条件的影响较大。因此，为了提高风能的利用效率和经济性，需要深入研究和优化风能的转换技术。在风力发电中，将风能转换为机械能的效率至关重要。这涉及到多个方面的技术，包括转子空气动力学、风力机的设计和布局、以及尾流管理等。因此，理解和预测尾流的行为，以及采取有效的措施来减少其负面影响，对于提高风力发电场的整体效率和输出至关重要。为了优化风力涡轮机的布局以及转子的气动和结构设计，需要有先进的模型来描述这种扰动流。这些模型可以基于计算流体动力学（CFD）等技术，为风力机的设计和优化提供有力的支持。
在风力发电领域，分析风力涡轮机周围和下游的流动对于理解和优化风力机的性能至关重要。正如您所述，有三种主要的方法可以用来分析这些流动：
现场测试：这种方法涉及在实际的风力发电场中进行测量，通常包括使用风速计、激光雷达或其他传感器来测量流场参数。现场测试可以提供非常准确的数据，但它们通常成本高昂、复杂且耗时。此外，对于大型风力涡轮机，如直径为41米的转子，进行现场测量可能会面临技术和 logistical 的挑战。
分析模型和半经验模型：这些模型通常基于简化的假设，如均匀来流、无旋转效应等。虽然这些模型较易于实施，但它们的准确性可能不如基于详细流场测量的模型。
计算流体动力学（CFD）：CFD 使用数值方法来解决流体动力学问题，它可以提供详细的流场信息，并且可以在没有现场测试的情况下进行。CFD 已成为风力涡轮机气动分析的强大工具，特别是在分析大型转子和复杂的尾流问题时。
在卡利亚里大学的研究中，Flunet 软件被用于分析一个实验上难以解决的空气动力学问题。这项研究涉及一个直径为41米的风转子，其扰动流场包括尾迹在内沿轴向延伸数百米，这是一个非常大的截面。现场测量这样一个广阔的扫掠区域将非常耗时且昂贵，因此使用CFD进行数值模拟成为了一个更加实际和高效的选择。通过CFD模拟，研究人员能够在不同的风速范围内对定叶失速控制转子进行研究，转速为27rpm。这种模拟不仅提供了关于流场的详细信息，而且还可以帮助研究人员优化风力涡轮机的设计，从而提高其性能和效率。
将BEM计算结果与FLUENT计算结果进行比较。为比较模型，计算了涡轮的整体性能。这包括评估在轴轴上产生的机械能作为入口速度的函数，以及相应的功率系数作为叶尖速比的函数。发现CFD结果与使用边界元法。利用FLUENT预测的总压云图显示了涡轮下游的尾迹发展情况。轴向速度等值线被用来识别从近尾迹到远尾迹区域的过渡。在远尾流区，扩散现象导致整体尾流截面扩大，而中心区域的去能核减小。在叶尖附近，叶片压力面和吸力面之间的压力差导致了叶尖涡的形成。
CFD（计算流体动力学）方法在评估风力涡轮机的空气动力学性能时相较于BEM（边界元法）具有更高的准确性和灵活性。BEM通常基于简化假设和近似处理，对于设计点附近的性能预测相对有效，但在非设计条件或复杂流动现象下，如深失速、启动过程以及叶片大变形情况下，其精度会显著下降。相反，CFD能够模拟复杂的三维、非定常、湍流流动情况，并能捕捉到局部效应、分离流动、二次流等细微特征，这些都是BEM难以或无法精确再现的。通过CFD技术，工程师不仅能够研究风力涡轮机在标准运行条件下的性能，还能深入探索异常工况，比如风力机进入深失速状态甚至静止状态时的气动特性。随着高性能计算能力的提升，CFD模拟的成本效益逐渐提高，使得该方法在解决风力发电领域中的各种空气动力学挑战时更具吸引力。未来几年内，CFD将进一步普及并成为优化风力涡轮机设计、提高效率和可靠性的关键工具。
