風(fēng)力機尾流場的實驗研究

楊瑞，夏巍巍，張昇龍，王久鑫

（1.甘肅省風(fēng)力機工程技術(shù)研究中心，蘭州730050；2.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，蘭州730050）

風(fēng)力機尾流場的實驗研究

楊瑞1，2，夏巍巍2，張昇龍2，王久鑫2

（1.甘肅省風(fēng)力機工程技術(shù)研究中心，蘭州730050；2.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，蘭州730050）

為了獲得風(fēng)力機的尾流場信息，同時為大型風(fēng)力機的尾流場研究提供參考依據(jù)，利用軸流式風(fēng)機提供來流風(fēng)速，使用皮托管和手持風(fēng)速儀對無風(fēng)力機情況和單個小型風(fēng)力機的尾流場進行測量，獲得尾流區(qū)域的速度場、壓力場以及誘導(dǎo)速度場的分布規(guī)律。結(jié)果表明：對于無風(fēng)力機的情況，在同一測量斷面處的風(fēng)速隨著半徑的增加而逐漸減小；對于有風(fēng)力機時，在同一測量斷面處的風(fēng)速隨著測量半徑的增加先增加后逐漸減??；對于不同測量斷面，隨著測量間距的增加，在同一角度的速度值的變化趨勢逐漸變小。通過尾流的誘導(dǎo)速度曲線可以發(fā)現(xiàn)，在同一測量斷面處的誘導(dǎo)速度隨測量半徑的增加呈下降趨勢，而對于不同截面，同一角度的誘導(dǎo)速度曲線會相互交叉。

風(fēng)力機；實驗研究；速度場；壓力場；誘導(dǎo)速度場

引言

風(fēng)力機是將自然界的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能并獲得電能的裝置［1］，當風(fēng)經(jīng)過風(fēng)力機后流場的變化很大。尾流區(qū)的發(fā)展主要為近尾流區(qū)和遠尾流區(qū)，近尾流區(qū)的研究主要是功率提取的物理過程和風(fēng)機性能，而遠尾流區(qū)的研究重點是尾流模型、地形影響、湍流模型的恰當選?。?］。

現(xiàn)有的研究大致可以分為三類。一類是對風(fēng)力機尾流模型的理論研究，通過建立簡化的尾流模型對風(fēng)力機尾流區(qū)速度分布，以及對處于尾流區(qū)的風(fēng)力機性能所受到的影響進行研究。另一類是對風(fēng)力機的數(shù)值模擬研究，該方法主要是基于CFD的方法對單機和多機陣列的尾流場進行數(shù)值模擬，從而對提出的模型進行驗證，以及為基礎(chǔ)的流動機理研究提供參考。如，劉楠等［3］（200S）以水平軸風(fēng)力機風(fēng)輪為研究對象進行數(shù)值模擬，采用不可壓N-S方程和k-ωSST兩方程湍流模型，數(shù)值模擬了不同風(fēng)速下風(fēng)力機風(fēng)輪的流動特性；張玉良等［4］（2007）利用大渦模擬對定槳距風(fēng)力機進行三維繞流場進行數(shù)值預(yù)測。還有一類是實驗研究，主要的方法有風(fēng)洞實驗和外場實驗。風(fēng)洞實驗主要是針對縮比的大型風(fēng)力機，利用熱線風(fēng)速儀或者PIV技術(shù)獲得尾流區(qū)域的速度場和壓力場分布。如，胡丹梅等［5］利用PIV技術(shù)對單個風(fēng)力機的尾流場的速度場進行測量，主要針對近尾流場區(qū)域；郭靜婷［6］對不同間距的風(fēng)力機的尾流特性進行實驗研究，得出了速度場和渦量分布。外場實驗研究由于受到實驗環(huán)境的影響，主要針對的是中小型風(fēng)力機，測得尾流場的相關(guān)信息，然后利用相似理論對大型風(fēng)力機的尾流場進行研究。

本文主要是利用皮托管和風(fēng)速儀對單個小型風(fēng)力機的尾流場進行測量，獲得遠尾流場的速度和壓力信息，為大型風(fēng)力機的尾流場研究提供參考依據(jù)，同時為多機陣列的尾流干擾實驗提供實驗對比。

1 實驗原理

將一臺風(fēng)力機布置在三臺7.5 kW的軸流式風(fēng)機前，分別測量每臺風(fēng)力機后3 D、5 D、S D三個截面的壓力場和速度場等參數(shù)，根據(jù)不同測量截面的速度場、壓力場、誘導(dǎo)速度的變化，得出風(fēng)力機尾流場的變化規(guī)律。

由于風(fēng)力機的尾流場是沿塔架兩側(cè)對稱的，可以簡化測量一側(cè)的尾流場信息，測量范圍的選取主要是根據(jù)Jenson公式［7］：

式中a為軸向誘導(dǎo)因子。根據(jù)貝茨極限的最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.593時a=1/3［S］可知，當風(fēng)輪的半徑為0.535 m時，遠尾流區(qū)的半徑約為0.756 m。但由于該模型是簡化的理論模型，只能作為參考依據(jù)，同時為了對外界大氣的速度場進行比較研究，應(yīng)盡量取較大的測量范圍。最終選取的測量半徑是1.3 m，平均分為10段，每段為0.13 m。分別選取在-90°、-60°、-45°、-30°、0°、30°、45°、60°、90°九個角度進行測量。測量范圍和測量點的布置如圖1所示。

圖1測量點示意圖

2 實驗準備

2.1 實驗儀器

實驗中所用到的風(fēng)力機是100 W的風(fēng)力機模型。風(fēng)輪直徑為1.07 m，啟動風(fēng)速為3.5 m/s，額定風(fēng)速為12.5 m/s，塔架高度為1.5 m，所用儀器見表1。

表1實驗設(shè)備

2.2 實驗場地

考慮到室外環(huán)境自然風(fēng)和天氣因素對實驗結(jié)果的影響，選用封閉的室內(nèi)環(huán)境。

3 實驗步驟和數(shù)據(jù)整理

3.1 實驗步驟

首先，確定軸流式風(fēng)機的位置。并列布置后，在風(fēng)機后的2 m處固定風(fēng)力機，使得風(fēng)機的中心高度和風(fēng)力機一致，即都為1.5 m。然后在3 D、5 D、S D處放置測量板，在保證來流風(fēng)速近似為風(fēng)力機的額定風(fēng)速12.5 m/s時，利用手持風(fēng)速儀和精密型壓差風(fēng)速儀分別測量各測量點的壓力值和速度值。在測量過程中利用蓄電池作為風(fēng)力機的負載。由于單個風(fēng)力機的尾流場是對稱的，同時為了精簡測量的數(shù)據(jù)量，因此只對風(fēng)力機尾流場中心軸的一側(cè)進行測量。測量次數(shù)為兩次，對測量數(shù)據(jù)取平均值從而得到速度場和壓力場分布。隨后對無風(fēng)力機的情況進行測量，同樣得到尾流場3 D、5 D、S D處平均的壓力場和速度場分布。最后對兩種測量情況的數(shù)據(jù)進行處理，得到誘導(dǎo)速度場分布。

3.2 數(shù)據(jù)整理

對無風(fēng)力機和有風(fēng)力機兩種情況的壓力場和速度場進行測量后，對同一測量點的速度值取差值，得到在該測量點的誘導(dǎo)速度。在測量過程中可以知道，由于測量和儀器的誤差，并不能保證來流風(fēng)速保持在恒定的12.5 m/s，但基本滿足實驗要求。

4 測量結(jié)果對比

將實驗數(shù)據(jù)進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，對于無風(fēng)力機情況的尾流場，由于測量點的數(shù)量過多，只選取-60°、0°、60°三個角度的測量值進行分析。從圖2可知，在同一測量斷面處，風(fēng)速隨著測量半徑的增加而逐漸減小，這主要由于實驗所用的是軸流式風(fēng)機。而對不同測量角度情況下的速度值和壓力值對比可以發(fā)現(xiàn)，在靠近測量中心處的測量值相差不大，但隨著半徑的增加差異逐漸增大。測量斷面下半圓的速度值和壓力值明顯小于上半圓，這主要是由于地面粗糙度和塔架對下半圓尾流場的影響較大，當測量角度為0°時，地面粗糙度和回流對測量點處的影響很小，因此速度和壓力達到最大值。在不同測量斷面處，隨著測量間距的增大，速度逐漸減小。在測量過程中可以發(fā)現(xiàn)，在靠近測量中心處的讀數(shù)比較穩(wěn)定，但在邊緣的測量點處，儀器的讀數(shù)跳動較大。

圖2無風(fēng)力機時不同間距的測量值

對有風(fēng)力機情況的尾流場進行分析時，同樣選擇-60°、0°、60°三個角度的測量值進行分析。從圖3可知，在同一測量斷面處，風(fēng)速隨著半徑的增加先增加后逐漸遞減，這主要是由于風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)作用，使得在尾流場中心處形成低速度區(qū)。但隨著半徑的逐漸增大，速度值逐漸變大。同時由于外界大氣的摻混作用，當速度到達峰值時逐漸開始下降。同樣由于地面粗糙度，室內(nèi)回流以及塔架的影響，測量斷面下半圓的速度場明顯小于上半圓，且在測量角度為0°時各測量點速度值和壓力最大。對于不同測量斷面處，隨著測量間距的增大，由于尾流的擴散作用使得每個截面在相同角度時的峰值速度隨測量半徑向外推移。同時在同一角度的速度值的變化趨勢逐漸變小。當測量斷面為S D時，在同一測量角度上的各測量點的速度變化隨半徑的增大已經(jīng)很小。

對風(fēng)力機尾流場的誘導(dǎo)速度分析時。從圖4～圖6可知，在同一截面上的誘導(dǎo)速度隨著測量半徑的增加呈下降趨勢，而且在測量半徑的邊緣出現(xiàn)了負值。說明在該測量點的無風(fēng)力機情況下的速度小于有風(fēng)力機時的速度。這主要是由于風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)作用和葉尖渦脫落使得在遠離測量中心處出現(xiàn)了高速度區(qū)域。對不同截面同一角度的誘導(dǎo)速度對比分析可以發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)速度曲線出現(xiàn)了交叉點。隨著測量間距的增加，在交叉點前誘導(dǎo)速度呈減小趨勢而在交叉后呈增大的趨勢。如圖5所示，當測量角度為0°時，在測量點4之前隨著測量間距的增大誘導(dǎo)速度呈遞減趨勢，即在測量斷面為3 D處的誘導(dǎo)速度大于5 D、SD處的誘導(dǎo)速度。而在測量點4之后呈遞增趨勢。誘導(dǎo)速度呈遞減趨勢主要是隨著測量間距的增大，尾流場中心處的低速度區(qū)的速度逐漸恢復(fù)。而誘導(dǎo)速度呈遞增趨勢主要是由于風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)作用，在近尾場的遠離測量中心處出現(xiàn)了高速度區(qū)域，使得靠近風(fēng)力機處的誘導(dǎo)速度低于由于速度恢復(fù)的遠尾流場處的誘導(dǎo)速度。

圖3有風(fēng)力機時不同間距的測量值

圖4不同截面角度為60°時的誘導(dǎo)速度

對不同截面各角度的誘導(dǎo)速度曲線的交叉點進行分析可以發(fā)現(xiàn)，交叉點的位置隨著測量角度從-90°到90°的變化先減小后增大，而交叉點的處的誘導(dǎo)速度在誤差范圍內(nèi)變化不是很大（圖7～圖S）。

圖5不同截面角度為0°時的誘導(dǎo)速度

圖6不同截面角度為_60°時的誘導(dǎo)速度

圖7各角度的交叉點位置

對誘導(dǎo)速度曲線分析發(fā)現(xiàn)，當測量角度為0°時，交叉的位置近似在測量點3處，而且此處的誘導(dǎo)速度近似等于零，說明該點在有風(fēng)力機時和無風(fēng)力機時的速度近似相等。但隨著角度向-90°和90°兩側(cè)變化，交叉點的位置隨半徑向外推移，說明當角度為0°時，速度恢復(fù)的最快。從前面分析可知，當無風(fēng)力機時，尾流的速度場隨間距的增大呈逐步遞減趨勢，近似于一條下滑的直線，而當有風(fēng)力機時，尾流的速度場隨間距的增大呈逐步上升的趨勢，近似一條上升的曲線，當兩條線交會時，該點的誘導(dǎo)速度為零。同時從測量數(shù)據(jù)可以得知，在測量角度為0°時風(fēng)速最高，而且隨著角度向-90°和90°兩側(cè)變化，速度值呈遞減趨勢。因此導(dǎo)致兩條線的斜率發(fā)生變化，使得交叉點隨測量半徑向外推移。

圖8各角度的交叉點的處的誘導(dǎo)速度

5 在大型風(fēng)力機上的應(yīng)用

實驗所得的結(jié)論可以通過相似理論在大型風(fēng)力機上推廣使用，但實驗所使用的小型風(fēng)力機和大型風(fēng)力機的尾流場相比有以下幾點差異：

（1）小型風(fēng)力機在實驗時受到空氣繞流的影響較大，但對于大型風(fēng)力機的影響就很小。

（2）大型風(fēng)力機的塔架高度很高，受到地面粗糙度的影響較小。

（3）大型風(fēng)力機的葉片長度很大，受到不均勻來流的影響較小。

（4）大型風(fēng)力機受空氣湍流度的影響很小。

（5）小型風(fēng)力機由于加工工藝的影響，葉片表面的粗糙度很大，對尾流場也有一定的影響。

6 結(jié)論

本文利用皮托管和手持風(fēng)速儀對單個小型風(fēng)力機的尾流場進行測量，并對所測得的實驗結(jié)果進行對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）對于無風(fēng)力機情況的尾流場來說，由于使用的是軸流式風(fēng)機，在同一測量斷面處的風(fēng)速隨著半徑的增加而逐漸減小，而且測量斷面的下半圓的速度和壓力值明顯小于上半圓，在不同測量斷面處，隨著測量間距的增大，速度逐漸減小。

（2）對于有風(fēng)力機情況的尾流場來說，在同一測量斷面處，風(fēng)速隨著測量半徑的增加先增加后逐漸減小，這主要是由于風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)作用，使得在尾流場的中心處形成低速度區(qū)。但隨著半徑的逐漸增大，速度值逐漸變大。同時由于外界大氣的摻混作用，當速度到達峰值時逐漸開始下降。而對不同測量斷面處的測量值比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著測量間距的增大，由于尾流的擴散作用使得每個截面在相同角度時的峰值速度隨測量半徑向外推移。

（3）對于風(fēng)力機的尾流的誘導(dǎo)速度，在同一截面上的誘導(dǎo)速度隨半徑的增加呈下降趨勢；而對不同截面同一角度的誘導(dǎo)速度對比分析可以發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)速度曲線出現(xiàn)了交叉點，而且隨著測量間距的增加，在交叉點前誘導(dǎo)速度呈減小趨勢而在交叉后呈增大的趨勢。

［1]朱翀，王同光，鐘偉.風(fēng)力機尾流流場的數(shù)值分析和尾流邊界建模［J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2011，43 (5):687_692.

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［8]Mikkelsen R.Actuator disc methods applied to wind turbines［D].Danish:Technical University of Denmark，2003.

Experimental Research of Wind Turbine Wake Field

YANG Rui1，2，XIAWeiwei2，ZHANG Shenglong2，WANG Jiuxin2
（1.Wind Turbine Engineering Technology Research Center of Gansu Province，Lanzhou 730050，China；2.School of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

In order to get the information of the wind turbine wake field，and Provide reference for the research of large scale wind turbine wake field，the wind velocity is Provided by using axial flow fan，and the wake fields of no wind turbine and a single smallwind turbine aremeasured by using Pitot tube and handheld anemometer，then the distribution regularities of the velocity field，Pressure field and the induced velocity field in wake zone are obtained.It turned out that the velocity decreases gradually with the increase of the radius at the samemeasurement section for the situation of no wind turbine.For the situation of a singlewind turbine，the velocity first increaseswith radius grows then decreases gradually at the samemeas_ urement section.For the differentmeasurement sections，the variation trend of sPeed decreases gradually at the same angle with the increase of measurement distance.The curve of induced velocity shows the induced velocity decreases with the increase of the radius at the samemeasurement section.While the curve of induced velocity at the samemeasure angle for the differentmeasurement sectionswill intersectwith each other.

wind turbine；exPerimental research；velocity field；Pressure field；induced velocity field

TKS3

A

1673_1549(2014)02_0023_05

10.11863/j.suse.2014.02.05

2013_11_01

國家自然科學(xué)基金（11162009）；教育部博士點基金項目（1106ZBA004）

楊瑞（1970_），男，河南夏邑人，副教授，博士，主要從事風(fēng)力機尾流方面的研究，（E_mail）xS11097395@163.com