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World File Search System大涡模拟
空中风电场的大涡模拟
摘要。未来空中风能技术的公用事业规模部署需要开发大规模多兆瓦系统。本研究旨在量化大气边界层 (ABL) 与农场中运行的大规模空中风能系统之间的相互作用。为此，我们提出了一种虚拟飞行模拟器，结合大涡模拟来模拟湍流条件和飞行路径生成和跟踪的最佳控制技术。通过实施与模型预测控制器配对的执行器扇区方法，实现了流动和系统动力学之间的双向耦合。在本研究中，我们考虑了地面发电泵送模式 AWE 系统（升力模式 AWES）和机载发电 AWE 系统（阻力模式 AWES）。该飞机翼展约 60 米，飞行大回旋直径约 200 米，中心高度为 200 米。对于升力模式 AWES，我们还研究了不同的放出策略，以减少系留翼与自身尾流之间的相互作用。此外，我们还研究了由 25 个系统组成的 AWE 园区，这些系统排列成五排，每排五个系统。对于升力和阻力模式原型，我们考虑采用中等园区布局，功率密度为 10 MW km − 2
湍流冲击波边界层相互作用和边界层流动的壁面模型大涡模拟
精确模拟高雷诺数可压缩流动具有挑战性。对于直接数值模拟 (DNS)，必须解析所有尺度的流体运动，根据 Choi 和 Moin 1 的说法，网格点的数量按 N ∝ Re 37 / 14 L 缩放。虽然 DNS 是最准确的方法，但它的计算成本也最高。大涡模拟 (LES) 仅解析大能量承载流动结构，未解析（即子网格）结构用子网格应力 (SGS) 模型建模，或直接通过数值方案的扩散（即隐式 LES，ILES）来解释。对于壁面解析 LES (WRLES)，近壁面条纹的平均长度和展向间距为 x + ≈ 1000 和 z + ≈ 100，通过壁面粘度 µ w 和摩擦速度 u τ = p 变为无量纲
流入转向如何影响风力涡轮机尾流的转向？
摘要。稳定分层流条件通常表现出风向转向，即风向随高度变化。当风力涡轮机经历这种转向流时，产生的尾流结构往往会呈现出拉伸成椭圆形，而不是对称形状或卷曲形状。观察研究表明，尾流转向的幅度小于流入流的转向，而使用执行器盘模型和执行器线模型进行的大涡模拟表明流入流转向和尾流转向之间存在一系列关系。在这里，我们展示了一系列大涡模拟，其中有一系列转向形状、一系列转向幅度、一系列风速和风力涡轮机转子的两个旋转方向，以研究对尾流偏转角的影响。这些结果可以指导尾流转向在稳定分层流中的应用。
文章 复杂地形上飞机安全范围的载人飞行模拟研究的大气扰动建模
摘要：ZHAW 航空中心开发并实施了一种综合了气象和地形对飞机安全范围影响的新型能源管理系统概念。在研究和教学模拟器 (ReDSim) 中构建了相应的飞行模拟环境，以测试驾驶舱显示系统的首次实施。与一组飞行员进行了一系列飞行员在环飞行模拟。通用航空飞机模型 Piper PA-28 经过修改以用于研究。ReDSim 中的环境模型经过修改，包括一个新的临时子系统，用于模拟大气扰动。为了在 ReDsim 中生成高分辨率风场，在概念研究中使用了一种成熟的大涡模拟模型，即并行大涡模拟 (PALM) 框架，重点研究了瑞士萨梅丹附近的一个小山区。为了更真实地表示特定的气象情况，PALM 由从 MeteoSwiss 的 COSMO-1 再分析中提取的边界条件驱动。从 PALM 输出中提取基本变量（风分量、温度和压力），并在插值后输入子系统，以获得任何时刻和任何飞机位置的值。在这个子系统中，还可以基于广泛使用的 Dryden 湍流模型生成统计大气湍流。本文比较了两种产生大气湍流的方法，即结合数值方法和统计模型，并介绍了飞行测试程序，重点强调了湍流的真实性；然后介绍了实验结果，包括通过收集飞行员对湍流特性和湍流/任务组合的反馈而获得的统计评估。
复杂地形上飞机安全范围载人飞行模拟研究的大气扰动建模
摘要：ZHAW 航空中心开发并实施了一种综合气象和地形对飞机安全范围影响的新型能源管理系统概念。在研究和教学模拟器 (ReDSim) 中构建了相应的飞行模拟环境，以测试驾驶舱显示系统的首次实施。与一组飞行员进行了一系列飞行员在环飞行模拟。通用航空飞机模型 Piper PA-28 经过修改以用于研究。ReDSim 中的环境模型经过修改，包括一个新的临时子系统，用于模拟大气扰动。为了在 ReDsim 中生成高分辨率风场，在概念研究中使用了一种成熟的大涡模拟模型，即并行大涡模拟 (PALM) 框架，重点研究了瑞士萨梅丹附近的一个小山区。为了更真实地表示特定的气象情况，PALM 由从 MeteoSwiss 的 COSMO-1 再分析中提取的边界条件驱动。从 PALM 输出中提取基本变量（风分量、温度和压力），并在插值后输入子系统，以获得任何时刻和任何飞机位置的值。在这个子系统中，还可以基于广泛使用的 Dryden 湍流模型生成统计大气湍流。本文比较了两种产生大气湍流的方法，即结合数值方法和统计模型，并介绍了飞行测试程序，重点强调了湍流的真实性；然后介绍了实验结果，包括通过收集飞行员对湍流特性和湍流/任务组合的反馈而获得的统计评估。
湍流记忆对理想化龙卷风的影响......
摘要：表面摩擦通过增强角动量的收敛而促进龙卷风的形成和维持。大气模型中的传统下边界条件通常假设未解析应力和解析剪切之间存在瞬时平衡。该假设忽略了湍流运动以有限速率产生和消散的物理原理——实际上，湍流在其整个生命周期中都有记忆。在本文中，提出了一种改进的下边界条件来解释湍流记忆的影响。具体而言，当气团沿弯曲轨迹移动时，由于湍流记忆，会产生正常表面剪切应力分量。在理想龙卷风的大涡模拟 (LES) 中，正常表面剪切应力分量是额外动态不稳定性的一个来源，为湍流运动的发展提供了一条额外的途径。只要修改后的下边界条件所采用的假设在感兴趣的流动区域的较大部分内成立，湍流记忆对准稳态龙卷风强度的影响就可以忽略不计。然而，瞬态龙卷风可能对湍流记忆特别敏感。
风力涡轮机是否会对轻型飞机造成滚动危险？ - WES
摘要。2016 年，风能占美国所有发电量的 5.6%。大部分发展发生在农村地区，那里有利于利用风能的开放空间也为通用航空机场提供服务。因此，美国近 40% 的风力涡轮机都位于小型机场 10 公里范围内。风力涡轮机通过从大气中提取动量来发电，产生以风速不足和湍流增加为特征的顺风尾流。最近，涡轮机尾流对小型飞机构成危险的担忧已被用来限制风电场的发展。在此，我们使用公用事业规模涡轮机尾流的大涡模拟 (LES) 评估小型飞机的滚动危险。计算假设飞机以各种方向横穿尾流时风产生的升力和随后的滚转力矩。探讨了稳定和中性分层的情况，稳定情况代表了可能的最坏情况，因为较低的环境湍流允许更长时间的尾流持续。在这两种情况下，假设飞机在下行尾流和横行尾流横穿过程中经历的滚转力矩中只有 0.001% 会导致滚转风险增加。
改进的湍流动能行星边界层对流大气边界层长度尺度方案
基于对流大气边界层的大涡模拟 (LES) 的先验分析，提出了改进的湍流混合和耗散长度尺度，用于基于湍流动能 (TKE) 的行星边界层 (PBL) 方案。湍流混合长度结合了表面层中的表面相似性和 TKE 约束，并对混合层中的横向夹带效应进行了调整。耗散长度是根据考虑剪切、浮力和湍流混合的平衡 TKE 预算构建的。在 TKE 通量中添加了一个非梯度项，以校正 TKE 的非局部湍流混合。改进的长度尺度被应用于 PBL 方案，并使用理想的单柱对流边界层 (CBL) 情况进行了测试。结果在广泛的 CBL 稳定范围内表现出强大的适用性，并且与 LES 基准模拟非常一致。然后将其实施到社区大气模型中，并通过 3D 真实情况模拟进行进一步评估。新方案的结果与其他三种成熟的 PBL 方案的质量相当。模拟和无线电探空仪观测剖面之间的比较表明，新方案在晴朗的日子里表现良好。
风力涡轮机是否会对轻型飞机造成滚动危险？ - NREL
摘要。2016 年，风能占美国所有发电量的 5.6%。大部分发展发生在农村地区，那里的开放空间有利于利用风能，同时也为通用航空机场提供服务。因此，美国近 40% 的风力涡轮机都位于小型机场 10 公里范围内。风力涡轮机通过从大气中提取动量来发电，产生以风速下降和湍流增加为特征的顺风尾流。最近，人们担心涡轮机尾流会对小型飞机造成危害，这被用来限制风电场的发展。在此，我们使用公用事业规模涡轮机尾流的大涡模拟 (LES) 来评估小型飞机的滚动危害。计算假设飞机以各种方向横穿尾流时风产生的升力和随后的滚动力矩。探讨了稳定和中性分层的情况，稳定情况代表了可能的最坏情况，因为较低的环境湍流允许尾流持续更长时间。在这两种情况下，假设飞机在下行尾流和横行尾流横断面过程中经历的滚转力矩中只有 0.001% 会导致滚转风险增加。
低空急流带来的能量有利于风电场的性能
低空急流是低空大气中的风能最大值。由于它们对风力发电场的发电量有重大影响，因此了解低空急流与风力发电场之间的相互作用至关重要，我们使用大涡模拟对此进行了研究。我们发现，当急流位于风力发电场上方时，风力发电场后部的发电量相对较高。当低空急流位于涡轮机轮毂高度时，后部涡轮机的发电量受到限制。但是，当急流在风力涡轮机下方流动时，后部涡轮机的发电量高于预期。原因是急流的负剪切产生了显著的向上夹带通量，这有助于下游涡轮机从急流中提取能量。虽然从发电的角度来看，低空急流是有益的，但我们的模拟还表明，它们的存在会导致气动载荷的显著周期性变化。这意味着低空急流会增加涡轮机所经受的疲劳载荷，这可能会对涡轮机的寿命产生负面影响。总的来说，我们的工作强调了基础流体动力学研究对于了解风电场流动动力学的重要性。