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本研究的主要作者包括Yuming Yuan、Q.W. Ma、Shiqiang Yan、Xing Zheng、Kangping Liao、Gang Ma、Hanbing Sun和Abbas Khayyer。研究机构包括哈尔滨工程大学（Harbin Engineering University）、伦敦城市大学（City, University of London）和京都大学（Kyoto University）。该研究于2023年5月17日在线发表在期刊《Ocean Engineering》第281卷，文章编号为114770。
本研究的主要科学领域为海上风电场的风机尾流建模。随着海上风电场的规模不断扩大，准确预测上游风机的尾流对于评估下游风机的性能至关重要。虽然高精度的计算流体动力学（CFD）软件可以较为准确地模拟尾流动力学，但其计算成本极高，特别是在需要模拟长尾流时。因此，设计实践中通常使用简化的动态尾流模型，但这些模型无法捕捉所有物理现象，且依赖于预设的经验参数，不适用于风机附近的流动。本研究提出了一种新的混合方法，结合了CFD模型和简化的动态尾流模型，旨在在保证计算精度的同时显著降低计算成本。
本研究提出了一种混合方法，结合了基于Navier-Stokes方程的CFD模型和简化的动态尾流模型。具体而言，在风机附近的尾流区域使用CFD模型，风机通过执行器线（actuator lines）表示；在远尾流区域使用改进的简化CFD动态尾流模型。两种模型在风机下游的某一截面进行双向耦合。
混合方法的核心是耦合两种数值模型：在近尾流区域使用完整的Navier-Stokes（NS）模型，在远尾流区域使用动态尾流模型（DWM）。两种模型的耦合区域称为耦合区，其长度设置为0.5D（D为风机直径）。耦合区的长度选择通过数值测试确定，以确保计算的准确性和效率。
近尾流区域的流动模拟基于OpenFOAM中的不可压缩求解器，使用PISO-SIMPLE（PIMPLE）算法。风机与流体的相互作用通过执行器线模型（ALM）进行建模，风机叶片的气动力通过叶片单元法（blade element method）计算，并将其作为体力分布到流体域中。
现有的动态尾流模型基于Ainslie（1988）提出的模型，并经过Jonkman和Shaler（2021）扩展。改进的动态尾流模型（IDWM）在两个方面进行了优化：首先，通过CFD数值结果动态估计系数kvshr，减少了人为指定该系数的不确定性；其次，考虑了现有模型中忽略的切向速度，提出了新的切向速度模型，并通过CFD数值结果动态估计相关系数。
混合方法通过在整个计算域内进行全CFD模拟的结果进行验证，并在不同条件下测试其性能。结果表明，新方法在保证结果相似性的同时，显著减少了计算时间。
研究表明，耦合边界的位置对近尾流区域的气动系数和速度分布影响较小，但对远尾流区域的速度分布有较大影响。选择耦合边界时应确保其位于最小轴向速度点（p0）的下游，以获得更好的远尾流预测结果。
改进的动态尾流模型（IDWM）在远尾流区域的表现优于现有动态尾流模型（DWM）。IDWM能够准确捕捉远尾流区域的切向速度和轴向速度分布，而DWM则无法准确模拟这些特征。
混合方法的计算时间约为全CFD模拟的47%-57%，显著提高了计算效率。
本研究提出了一种新的混合方法，结合了CFD模型和改进的动态尾流模型，用于模拟海上风机的尾流。该方法在保证计算精度的同时，显著降低了计算成本。改进的动态尾流模型通过动态估计系数和考虑切向速度，进一步提高了远尾流区域的模拟精度。该方法的提出为海上风电场的设计、运行和维护提供了重要的理论支持。
本研究还详细讨论了耦合边界的选择方法，并通过数值测试验证了其合理性。此外，研究结果表明，改进的动态尾流模型在远尾流区域的表现显著优于现有模型，为未来复杂场景（如多风机、浮式风机等）的模拟奠定了基础。
通过本研究的成果，海上风电场的尾流模拟将更加高效和准确，为风电场的设计和优化提供了重要的技术支持。