水平軸風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)摻混流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

東雪青 ， 劉 釗 ， 汪建文 ，章書成

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

水平軸風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)摻混流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

東雪青1，2， 劉 釗1， 汪建文1，2，章書成1，2

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

為研究風(fēng)力機(jī)尾跡的流動(dòng)狀態(tài)以及摻混規(guī)律，在水平軸風(fēng)力機(jī)模型不同尖速比、不同風(fēng)速的條件下，利用高頻PIV系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力機(jī)下游遠(yuǎn)至4.5倍風(fēng)輪直徑范圍內(nèi)的尾流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。首先對(duì)軸向平均速度云圖和曲線圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)尾跡流場(chǎng)與外部主流區(qū)的摻混現(xiàn)象；對(duì)比尖速比為4和6，相對(duì)半徑為0.1R處的平均軸向速度曲線圖，發(fā)現(xiàn)隨著尖速比的增加，尾跡區(qū)域的軸向速度恢復(fù)的更快，摻混現(xiàn)象更加嚴(yán)重。然后觀察徑向平均速度云圖，發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪后方的流體在徑向方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是外部主流區(qū)的流體通過葉尖渦誘導(dǎo)效應(yīng)區(qū)的輸運(yùn)和卷吸作用下持續(xù)進(jìn)入尾跡區(qū)域，并與之摻混。最后通過對(duì)比不同相對(duì)半徑處的徑向曲線圖，得到尾跡流場(chǎng)的狀態(tài)：先節(jié)流降壓膨脹，然后壓力恢復(fù)尾跡收縮；隨著外部高壓流體的的持續(xù)流入，尾跡再次膨脹，直至恢復(fù)到來流狀態(tài)。

高頻PIV；尾流；尾跡摻混；輸運(yùn)作用

0 引 言

風(fēng)能是一種可再生能源，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，在全球許多地域的儲(chǔ)存量巨大，用之不竭，當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電已成為新能源技術(shù)中最成熟、最具商業(yè)化價(jià)值、最有經(jīng)濟(jì)性的發(fā)電方式之一[1-3]。2014年全球風(fēng)電一掃2013年全球市場(chǎng)的低靡景象，年新增裝機(jī)容量51.47 GW，創(chuàng)歷史新高突破50 GW大關(guān)，年增長(zhǎng)率達(dá)44%，全球風(fēng)電進(jìn)入高水平發(fā)展時(shí)期[4]，在國(guó)家的高度重視下，我國(guó)風(fēng)力機(jī)技術(shù)的研究也取得了較大的發(fā)展，其中在空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)以及微氣象學(xué)等領(lǐng)域獲得了顯著的進(jìn)步[5]。

氣流通過旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪時(shí)產(chǎn)生動(dòng)量損失，會(huì)在風(fēng)輪轉(zhuǎn)子下游形成風(fēng)速下降的局部粘性區(qū)域，該區(qū)域被稱為尾跡[6]。由于風(fēng)輪吸收了部分風(fēng)能，因此風(fēng)力機(jī)后風(fēng)速會(huì)有一定程度的減小，但由于與外部氣流的摻混下風(fēng)速會(huì)逐漸恢復(fù)到來流風(fēng)速[7]。而這一摻混過程以及速度恢復(fù)的快慢與葉片的幾何尺寸和形狀、翼型以及軸向距離等因素有關(guān)。風(fēng)力機(jī)尾流之間的相互作用是風(fēng)電場(chǎng)功率損失的一個(gè)重要來源[8]。風(fēng)速減小會(huì)使下游風(fēng)力機(jī)的輸出功率減少，尾跡附加的強(qiáng)湍流會(huì)影響下游風(fēng)力機(jī)的疲勞載荷、使用壽命和結(jié)構(gòu)性能[9]。因此，加快尾流與外部流場(chǎng)的摻混進(jìn)而加快尾流的恢復(fù)，能夠減少對(duì)下游風(fēng)力機(jī)的不利影響，進(jìn)而提高風(fēng)電場(chǎng)的整體效益，具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)力機(jī)尾跡是如何與外部流場(chǎng)進(jìn)行摻混進(jìn)而恢復(fù)來流狀態(tài)的研究幾乎沒有。大部分的學(xué)者主要關(guān)注的是通過改變一些外部條件，比如風(fēng)力機(jī)在風(fēng)場(chǎng)中的布局或者改變風(fēng)力機(jī)的一些參數(shù)，比如尖速比，偏航角等措施來加快尾流的恢復(fù)，降低尾流效應(yīng)帶來的損失。西班牙的Gonzalez等[10]提出通過選擇每臺(tái)風(fēng)力機(jī)的最佳槳距角和最佳葉尖速比的方法來優(yōu)化尾流效應(yīng)，提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電能力。挪威的Adaramola等[11]通過對(duì)尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，下游風(fēng)力機(jī)的最大功率系數(shù)的減小取決于風(fēng)力機(jī)之間的距離和上游風(fēng)力機(jī)的操作條件。上海的胡丹梅等[12]采用CFD商業(yè)軟件，對(duì)兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)采取不同的安裝間距進(jìn)行模擬，擬找出不同排列方式下風(fēng)力機(jī)之間的最佳距離，降低風(fēng)電場(chǎng)中尾流效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)之間的相互影響。新疆大學(xué)的高填[13]采用三維軟件UG研究了單臺(tái)風(fēng)力機(jī)的尾流狀態(tài)和多臺(tái)風(fēng)力機(jī)兩種優(yōu)化布置方案的互擾狀況。

本文利用二維高頻粒子圖像測(cè)速法（PIV）對(duì)小型風(fēng)力機(jī)全尾跡流場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試，尋找尾跡與外部流場(chǎng)的摻混規(guī)律和尾跡的流動(dòng)狀態(tài)，以及不同工況對(duì)尾跡摻混的影響，進(jìn)而為日后通過采用更加主動(dòng)簡(jiǎn)便的方法來加快尾流的恢復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞

本實(shí)驗(yàn)在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的B1/K2低速風(fēng)洞閉口段進(jìn)行。閉口實(shí)驗(yàn)段：長(zhǎng)度2.5m，橫截面為0.92m×0.92m的正方形，最大風(fēng)速可達(dá)60m/s，實(shí)驗(yàn)段湍流度 ε≤5‰。

1.2 風(fēng)力機(jī)模型

該風(fēng)力機(jī)模型為雙葉片型水平軸風(fēng)力機(jī)，以NACA4415翼型為原型，設(shè)計(jì)半徑與實(shí)際半徑比例選為1∶5，風(fēng)力機(jī)模型旋轉(zhuǎn)半徑為150mm，塔架高度為450mm。風(fēng)力機(jī)模型如圖1所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)模型

1.3 高頻PIV系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)采用二維高頻PIV系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，采用ND:YLF LDY 300高重復(fù)率激光器，最大輸出功率為150W，脈寬為100 ns；型號(hào)為HighSpeedStar 8的高靈敏度、兆像素分辨率數(shù)碼相機(jī)。采樣頻率最高為10kHz（該頻率是在保證大部分的粒子都能被激光照亮的情況下，選取的最大采樣頻率，為了保證數(shù)據(jù)分析的合理和簡(jiǎn)便，取整數(shù)），如圖2所示。

圖2 高頻PIV系統(tǒng)

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體布置如圖3所示。為了拍攝全尾跡流場(chǎng)，考慮到實(shí)際條件的限制及閉口實(shí)驗(yàn)段空氣流動(dòng)比較穩(wěn)定，整個(gè)閉口段的風(fēng)速基本上是一致的，所以采用固定相機(jī)，而移動(dòng)風(fēng)力機(jī)組的方案。如圖4所示，每隔150mm移動(dòng)一個(gè)軸向位置，一共移動(dòng)1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#這 9 個(gè)軸向位置，即拍攝 9 個(gè)窗口，如圖4所示。拍攝窗口尺寸為200mm×200mm，重疊域?qū)挒?0mm。

圖3 實(shí)驗(yàn)布置圖

圖4 風(fēng)力機(jī)移動(dòng)軸向圖（單位：mm）

定義經(jīng)過葉尖前緣點(diǎn)與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心線并且垂直于水平面為0°方位面。固定風(fēng)力機(jī)偏航角為0°，選定的來流風(fēng)速為10m/s，尖速比λ（風(fēng)輪葉片尖端線速度與來流風(fēng)速之比）為4，5，6?？紤]到拍攝效果最佳，采樣頻率定為1000Hz，為滿足紊流流動(dòng)時(shí)均流場(chǎng)各物理量的穩(wěn)定性，拍攝樣本數(shù)定為1 000張，每一工況采集3次（可以進(jìn)行對(duì)比，提高采集的準(zhǔn)確性）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了直觀分析尾跡流場(chǎng)整體的速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征，首先對(duì)9個(gè)窗口的軸向和徑向速度場(chǎng)云圖進(jìn)行平均以保證每個(gè)窗口的數(shù)據(jù)具有同一性，然后利用Tecpolt軟件把每個(gè)窗口的云圖進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接。圖5～圖11是風(fēng)速V=10 m/s，尖速比λ=4、λ=6的軸向方向和徑向方向的平均速度云圖，以及從云圖中截取的不同半徑處的平均速度的數(shù)據(jù)，用Origin畫出平均速度曲線圖。Y代表風(fēng)輪徑向距離，X代表風(fēng)輪后方軸向距離。

圖5和圖6表征的是風(fēng)速V=10m/s，尖速比λ=4和λ=6的軸向方向平均速度云圖，這是將每一窗口拍攝的1000張速度云圖做平均，然后按照每一窗口對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行拼接（由于對(duì)1 000張速度云圖做了時(shí)間平均，導(dǎo)致每?jī)蓮垐D之間速度會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象，因此出現(xiàn)速度的“跳躍”）。圖中包含了風(fēng)力機(jī)尾跡中軸向速度衰減和恢復(fù)的全過程。觀察圖5，可以發(fā)現(xiàn)幾乎在所有區(qū)域內(nèi)靠近葉根處尾跡的軸向速度最低，沿徑向逐漸增大，并且流速有分層現(xiàn)象，風(fēng)通過風(fēng)輪后，速度先緩慢降低，然后隨著軸向距離的增加，外部主流區(qū)的流體與風(fēng)力機(jī)尾跡摻混使得軸向跡速度逐漸恢復(fù)。對(duì)比圖5、圖6可以看出隨著尖速比的增加，中央尾跡區(qū)的軸向速度恢復(fù)得更快，λ=6時(shí)的尾跡流場(chǎng)摻混更嚴(yán)重。

圖5 V=10m/s，λ=4軸向平均速度云圖

圖6 V=10m/s，λ=6軸向平均速度云圖

圖7 V=10m/s，λ=4、6軸向平均速度曲線圖

圖8 V=10m/s，不同尖速比下0.1R半徑處的軸向平均速度曲線圖

圖7 是圖5和圖6的量化分析，是將圖5和圖6中數(shù)據(jù)按不同相對(duì)半徑沿軸向抽取數(shù)據(jù)。λ=4和λ=6，在風(fēng)輪后方靠近風(fēng)輪處軸向速度的變化趨勢(shì)是十分相似的，首先由于節(jié)流膨脹的作用，風(fēng)通過風(fēng)輪在后方出現(xiàn)軸向速度減小現(xiàn)象，但在膨脹過程中在葉片后方受到發(fā)電機(jī)的影響，軸向速度稍有回升；緊接著風(fēng)力機(jī)尾跡的軸向速度回升，這與尾跡被周圍流體壓縮有關(guān)；然后隨著尾跡向后發(fā)展，由于尾流周圍外部主流區(qū)的逐漸摻混，使得軸向速度得以慢慢恢復(fù)。從圖8可以看出，在同一相對(duì)半徑處，隨著尾跡向下游的發(fā)展，λ=6的平均軸向速度顯然要比λ=4大。再次說明，隨著尖速比的增加，外部主流區(qū)的高壓流體與尾跡內(nèi)的低壓流體摻混加劇，尾跡區(qū)內(nèi)的軸向速度恢復(fù)更快。

圖9和圖10顯示的是風(fēng)速V=10m/s，尖速比λ=4、λ=6時(shí)的徑向平均速度云圖，此圖更加直觀地說明尾跡區(qū)流場(chǎng)與外部主流區(qū)流體的摻混趨勢(shì)。與軸向速度相比，徑向速度要小很多，幾乎都是負(fù)值。說明在風(fēng)輪后方流體沿徑向的流動(dòng)方向是從外部主流區(qū)向中心尾跡區(qū)流動(dòng)。

圖9 V=10m/s，λ=4徑向平均速度云圖

圖10 V=10m/s，λ=6徑向平均速度云圖

圖11 是風(fēng)速V=10m/s尖速比λ=4和λ=6徑向平均速度曲線圖，此圖也是將圖9和圖10中數(shù)據(jù)按不同相對(duì)半徑沿軸向抽取數(shù)據(jù)，對(duì)徑向速度進(jìn)行量化分析。相對(duì)半徑為0.1R，0.4R，0.7R處沿軸向距離的徑向速度曲線規(guī)律基本相似。首先，風(fēng)通過風(fēng)輪在風(fēng)輪后由于節(jié)流膨脹作用壓力急速下降，尾跡開始膨脹，徑向速度為正值（速度的方向向上），但隨著尾跡向下游發(fā)展，膨脹的速度越來越慢 （速度逐漸減小，由于電機(jī)的阻礙）越靠近中心節(jié)流作用越明顯，由圖11可知，0.1R處徑向速度最大，0.9R處徑向速度最小。其中，在120mm附近，0.1R和0.4R位置的徑向速度出現(xiàn)了急劇大幅反向增加的情形，這是由于這兩個(gè)位置位于發(fā)電機(jī)后端面附近，沿著發(fā)電機(jī)殼體流動(dòng)的來流在此位置向下繞流。隨軸向距離的增加，外部主流區(qū)的高壓流體的逐漸摻混使得徑向速度由負(fù)值逐漸趨近于零即Vy=0，尾跡收縮結(jié)束；然后徑向速度由Vy=0逐漸增加，外部主流區(qū)流體摻混引起尾跡區(qū)流場(chǎng)壓力回升直至測(cè)試4.5倍風(fēng)輪直徑處。

圖11 V=10m/s，λ=4、6徑向平均速度曲線圖

相對(duì)半徑0.9R處徑向速度在風(fēng)輪后方降到負(fù)值后，沿軸向一直維持負(fù)值。證明外部空氣在該位置處持續(xù)流入，由此可以得出，相對(duì)半徑為0.9R位置所處的葉尖渦誘導(dǎo)效應(yīng)區(qū)具有將外部主流區(qū)的空氣輸運(yùn)進(jìn)入中央尾跡區(qū)域的能力；在相對(duì)半徑為0.1R～0.7R位置處，尾跡向下游發(fā)展的過程中徑向速度先逐漸減小，隨著葉尖渦誘導(dǎo)效應(yīng)區(qū)輸運(yùn)作用的積累，進(jìn)入尾跡中央?yún)^(qū)域的外部高壓流體越來越多，并與尾跡內(nèi)的流體摻混，促使尾跡內(nèi)壓力繼續(xù)升高，尾跡開始收縮，徑向速度隨之增大，并在遠(yuǎn)尾跡變?yōu)檎怠?/p>

經(jīng)過以上分析，風(fēng)輪和電機(jī)的節(jié)流膨脹作用使毗鄰風(fēng)輪后方的尾跡膨脹，壓力突然降低；然后，在外部主流區(qū)高壓流體的摻混下，尾跡流場(chǎng)內(nèi)壓力逐漸恢復(fù)，尾跡逐漸收縮。隨著尾跡繼續(xù)向下游發(fā)展，在葉尖渦誘導(dǎo)效應(yīng)區(qū)的輸運(yùn)作用下，外部主流區(qū)的空氣持續(xù)進(jìn)入尾跡中央?yún)^(qū)域，從而使此區(qū)域內(nèi)的空氣壓力繼續(xù)升高，最終與外部主流區(qū)融合。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）尾跡流場(chǎng)與外部主流區(qū)流場(chǎng)摻混的過程中，隨著尖速比的增加，尾跡區(qū)軸向速度恢復(fù)的更快；隨著軸向距離的增加，尾跡區(qū)徑向速度呈先減小后增大然后又減小的趨勢(shì)。

2）在徑向方向上，流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是：外部主流區(qū)的流體通過位于葉尖附近的葉尖渦誘導(dǎo)效應(yīng)區(qū)（輸運(yùn)作用）逐漸流入尾流區(qū)域，并與之摻混。

3）風(fēng)輪后方尾跡流場(chǎng)的狀態(tài)是：先節(jié)流降壓膨脹；然后壓力恢復(fù)尾跡收縮；隨著外部主流區(qū)的高壓流體持續(xù)進(jìn)入中央尾跡區(qū)，尾跡再次膨脹，最終與外部流體逐漸融合。

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（編輯：劉楊）

Experimental study on the blending flow of wake field of horizontal axis wind turbine

DONG Xueqing1，2， LIU Zhao1， WANG Jianwen1，2， ZHANG Shucheng1，2
（1.College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China；2.Key Laboratory of Wind Energy and Solar Energy Technology Ministry of Education，Hohhot 010051，China）

The wake data within the range from downstream of wind turbine to 4.5 times of the wind wheel were collected by utilizing the TR-PIV under different wind velocities and tip speed ratio to research the flow regime and the rule of blending on the wake of the wind turbine.Firstly， the phenomenon of blending between the wake field and external mainstream was discovered based on the analysis of cloud chart and curve graph of the average axial velocity，and after comparing the curve graph of the average axial velocity with the tip speed ratios of 4 and 6 and relative radius of 0.1R，it was found that the recovery of the axial velocity in the wake region was faster and the blending was more serious with the increase of the tip speed ratio.Next， by observing the cloud chart of average radial velocity， it is found that the motion of the fluid behind the wind wheel in the radial direction is that through the transport and entrainment of the region of inductive effect of the tip vortex，the fluid of external mainstream continuously comes into wake region and blends with wake field.Finally，by comparing the curve graph of average radial velocity at different relative radius，the result shows that the state of the wake field is:the fluid throttles before the recovery of the pressure and the contraction of wake； with the continuously inflow of external high pressure fluid，the wake re-expands until the recovery of incoming flow state.

TR-PIV； wake flow； blending of the wake； effect of transport

A

1674-5124（2017）09-0024-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.005

2016-11-01；

2017-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51366010）；風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（201504）

東雪青（1972-），男，副教授，博士，主要從事風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)方向的研究。