这张著名照片背后，竟然是这样的故事
The following article is from 风电流域 Author 城明辰
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这幅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？
尾流照片的来历
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？
尾流形成的雾气
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。当冷湿空气在温暖的水面上平流时，温暖的饱和空气有可能从地表向上混合到较冷的层中，导致过饱和混合物形成并凝结为海烟（海面上就像在冒烟）。
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。根据Magnus方程（饱和水汽压与温度之间的关系），等量的+5°C饱和水蒸气和-1°C饱和水蒸气发生充分混合后，温度变为+2°C，压强变为7.14 hPa，但理论上，+2°C饱和水汽压为7.064 hPa，也就是说，两个不同温度的饱和气团混合后，发生了过饱和（101.1 %）现象，从而产生了雾。
由于风力机旋转，其在尾流区产生了混乱的湍流，使两团冷热饱和气团发生垂向掺混，同时改变了后方的温度分布，由此水汽产生冷凝形成雾，不稳定的温度分层（暖空气在冷空气下方）导致尾流雾气在外形上存在些许不平整，更像是小型的碎积云。
一个不同的观点
但一些人并不认同 Emeis 的观点，其中就包括丹麦技术大学的高级研究员Charlotte Bay Hasager。为了找出原因，她和同事、丹麦气象所退休的高级气象学家以及DONG Energy电力公司的工程师组建了一支研究团队。
首先，他们将当时的卫星遥感数据、当地气象站的观测数据、无线电探测数据以及风电场各台机组的SCADA数据全部收集起来。风廓线、温度廓线及湍流度均表明，当时大气处于不稳定状态。
此外，他们还根据机组的模型及风况参数，采用CFD-DES（Detached Eddy Simulation）数值模拟方法尝试复现当时的流动状态。虽然整个仿真只对流场进行了分析，并不涉及饱和蒸汽冷凝形成雾的过程，但和照片进行对比可以发现，尾流雾气主要存在于轴向风速和湍流动能TKE较大的区域。仿真结果和实际照片隐约有很多相似之处，但又有一些不同。
在某些具有流体力学背景的人看来，这些花花绿绿的结果虽然有用，但在一些情况下，用处并不大。科学上一些伟大的结论往往起源于一个大胆的假设，Charlotte团队给出了他们的观点。
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。
从照片中可以注意到，尾流雾气最初形成的位置大约在轮毂中心下游的50-100米左右，显然，饱和水蒸气在形成水滴（雾）之前需要一定的准备时间（~22秒）。由于轮毂中心处的旋转流动最为剧烈，即垂直于来流风向的诱导速度最大，逆时针旋转的叶根涡将底部的暖湿气流抬升到高处，随后冷却并加速冷凝。与此同时，可能由于尾流产生的湍流掺混作用，这里的气压略微下降。随着各个尾流的垂向和横向扩散，尾流雾气的区域在向下游传播的过程中也在扩展，相邻的尾流雾气在下游约2公里的距离处完成混合。
简而言之，Emeis认为尾流雾气是空气的不稳定温度分层导致的，而Charlotte团队认为，根据数值仿真的结果，风力机尾流会像搅拌机一样把气流混合，形成的尾流雾气在大尺度结构上具有明显的尾流涡系特征。2013年2月5日，Charlotte团队发表论文阐述了他们的观点。也许是由于更有说服力，这篇论文中引用的这两张尾流照片也随之广泛传播。
虽然这张尾流照片经常出现在风能相关的学术活动中，但Charlotte团队建议谨慎使用，因为它实际上根本不是典型的风电场尾流情况。当时的风速很低，风场内几乎只有第一排机组以 13.5 RPM 的转速正常运行，其它机组的转速极低，看到的尾流雾气很有可能主要是第一排机组产生的 。
不论如何，能拍到这样的照片并不容易，除了要满足云层、风速、温度等基础条件，还要等待一个时机，在众多热力学和动力学变量实现微妙平衡的瞬间，才会看到那团表征尾流形态的雾气。
新的尾流照片
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。风速接近于机组的额定风速（13 m/s），因此大多数机组以额定工况运行。海面上的薄雾气团向上运动形成了近尾流雾气，在尾流的下部和左侧达到露点温度 (空气在一定压力下，当其温度降低到饱和时，开始凝结成露水的温度)，在风轮后方形成了锥形的尾流雾气。
此外，从这次的照片中还发现了一个新现象。在照片上部的服务船附近可以看到，雾气在远端的风电场尾流区域逐渐消失了，这是因为高空的暖空气与海面混合而产生的干燥效应。虽然从照片中很难勾勒出雾气在水平方向上消失的轮廓，但整个过程似乎持续了很长时间。气象研究与预报(Weather Research & Forecasting, WRF）软件的结果也表明，在风电场下游超过100公里的地方以及对岸的陆地上也都存在这种干燥效应。
借助 (Large Eddy Simulation, LES) 方法可以描述尾流混合的过程，通过在机组上游平面连续释放示踪粒子，观察具体的流动细节。为了清楚起见，这里仅显示尾流区内的粒子。显然，由于受到风力机旋转和湍流的影响，大量粒子进入尾流区，风力机顺时针旋转导致尾流逆时针旋转，因此，从后方看，粒子集中在尾流的左下侧。
一些LES数值模式并不能求解温度场，但是，通过为每个粒子指定初始温度和混合比例，可以将其粗略地表示为空气混合物。通过一系列的仿真计算，结果显示，露点似乎均匀地分布在近尾流的左下部分，前方的近饱和空气在尾流的作用下发生冷凝变为雾气。
相同与不同
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。
如果说还有什么是相同的话，那一定是Charltte本人，她分别解释清楚了两组照片背后的原因。
参考文献：
[1] Emeis, S., 2000: Meteorologie in Stichworten. Hirt’s Stichwortbücher, Gebrüder Borntraeger Stuttgart. XIV+199 S. ISBN 3-443-03108-0.
[2] Hasager, C.B.; Rasmussen, L.; et al. Wind Farm Wake: The Horns Rev Photo Case. Energies 2013, 6, 696-716.
[3] Hasager, C.B.; Nygaard, N.G.; et al. Wind Farm Wake: The 2016 Horns Rev Photo Case. Energies 2017, 10, 317.
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