这张著名照片背后,竟然是这样的故事

作者: 城明辰

来源: 风电流域

发布日期: 2023-12-16 06:56:47

这篇文章详细描述了一张著名风力机尾流照片的拍摄背景和科学解释,探讨了尾流中雾气形成的物理机制,并比较了不同条件下拍摄的尾流照片。

这张著名照片相当于风力机尾流领域的“蒙娜丽莎”,作为全世界范围内最为著名的尾流图片,它时常会出现在与尾流相关的书籍、行业报告、学术论文上。作为一名内行人,也许你已经看腻了这张图,但你是否了解它背后的故事呢?

2008年2月11日早上,飞行员Christian Steiness从海上石油钻井平台驾驶直升机离开,在10点10分,他到达了丹麦Horns Rev(I期)海上风电场的西北角附近,透过舷窗随手拍下了一张照片(a),随后,他来到风场的南面并又拍了一张照片(b),由于第二张照片更富有震撼力,因此广为传播,成为了经典。

2008年之前,海上风电方兴未艾,但欧洲大陆的近海已经安装了大量机组,似乎很多人都有机会拍到类似的照片,但实际上并不是这样。风力机尾流本质上只是受到扰动的气流,在绝大多情况下,我们无法通过肉眼直接看到透明的空气,除非给它染上一点颜色。

通过风洞中的烟线实验,我们可以直观地看到风力机尾流中的螺旋状的叶尖涡和叶根涡。外场照片中的雾气似乎显示的也是风力机尾流,但却和风洞照片存在一些明显的不同。比如,它不显示叶尖涡的结构,整体上近似一个圆锥,顶点位于轮毂中心下游一定距离的位置。

想要找出产生这些差异的原因,可能还是要回到那个最重要的问题:为什么尾流中会出现雾气?雾形成的物理机制包括三个主要过程:不同温湿度气团的冷却、润湿和垂向混合。平流雾、锋面雾和辐射雾是三种主要类型的雾。其中,海面上最常出现的雾是平流雾,它可以细分为冷空气流过热水形成的热水平流雾和冷空气流过冷水形成的冷水平流雾。

2010年8月,德国卡尔斯鲁厄理工学院的S. Emeis发表了一篇论文,他认为尾流区的雾气不属于三种主要的雾,而是由两个不同温湿度的近饱和气团混合产生的混合雾。假设+5°C的海面上方弥漫着一层-1°C的近饱和空气(99%相对湿度),由于温暖的海水和冷空气之间的对流产生了一层薄薄的海烟,厚度只有5-10米,温度在近海平面的底部为+4°C,顶部约为0°C。

2008年2月11日早上,温热的海面上空弥漫着潮湿的冷空气,并在高空发生绝热冷却,风场周围完全由雾或低云笼罩,但恰好在拍摄照片的10点10分前,云雾突然消失,海面上只留下一层薄薄的海烟。此时,微风拂过,风速刚好大于机组的切入风速(4 m/s),南面第一排风力机以13.5 RPM的转速缓慢运行。

顺时针旋转的叶片在后方产生一个巨大的逆时针旋涡,带动底部暖湿空气上升并与上层冷空气融合,暖空气绝热冷却冷凝形成雾,雾气由此显示出了尾流的基本形态。

2009年2月,作为Horn Rev风电场的II期项目,Horn Rev 2风电场完成建设并全面投入运营。

无独有偶,时隔8年后的2016年2月25日,丹麦的Bel Air Aiviation航空公司在一次飞行任务中,从飞机舷窗又拍摄到了四张类似的尾流照片,只是照片的主体变为了Horn Rev 2风电场。乍一看,这些照片和08年的并没有很大差别,实际却并非如此。这次海面上弥漫着一层冷水平流雾,并且由于稳定的分层,尾流雾气近似一个表面光滑的细长圆锥。

难以置信,机缘巧合之下得到的两组照片却对应的是两种不同的场景:小风与大风、热水平流雾与冷水平流雾、不稳定大气和稳定大气...两组风电场尾流照片代表的并不是两种相反的情况,相反,它们之间还存在一些相似之处:1)机组上风向的近海面有一层未受干扰的薄雾;2)由于风力机的旋转,在轮毂高度出现了雾气;3)高空有一个允许足够阳光通过的云层,完美地勾勒出了尾流雾气的轮廓和阴影。

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