金凱寧，韓玉霞，楊 斌，朱長海

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特）

引言

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為一種具有巨大潛力及優(yōu)勢的新能源技術(shù)，正日益發(fā)展[1]。我國豐富的風(fēng)能資源，是促進(jìn)風(fēng)能開發(fā)的有利條件，也標(biāo)志著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的廣闊前景。因此，大力發(fā)展風(fēng)電對我國經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要部件，不僅要承擔(dān)來流的風(fēng)壓，還要承擔(dān)風(fēng)輪的工作負(fù)荷[2-3]。而由于塔架的阻礙作用引起的前后風(fēng)速及方向改變即為塔影效應(yīng)[4-5]。目前，我國風(fēng)電場最普遍使用的是上風(fēng)向型水平軸風(fēng)力機(jī)[6]，雖然塔影效應(yīng)在下風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)相較于上風(fēng)向型更為顯著，但上風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)的塔架問題仍不容忽視，因此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。田仁斌等人[7]采用CFD 方法對上風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)葉片與塔架之間的干涉作用進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)葉片經(jīng)過塔架會引起塔架周圍流動快速變化，葉片截面載荷也突然改變。楊小川等人[8]通過非定常計(jì)算網(wǎng)格策略研究了高尖速比狀態(tài)下風(fēng)力機(jī)的塔影效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)越靠近葉片根部，塔架對壓力分布影響越顯著。

該文將在鎖相定位條件下利用PIV 技術(shù)對風(fēng)力機(jī)尾跡隨尖速比變化的湍流特征進(jìn)行研究與分析。該研究以期于提高塔架對風(fēng)力機(jī)尾跡影響的認(rèn)識并為數(shù)值模擬研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞

本實(shí)驗(yàn)在實(shí)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室B1/K2 直流式風(fēng)洞閉口段處進(jìn)行，風(fēng)洞全長24.59 m，實(shí)驗(yàn)段的風(fēng)速為0～60 m/s，湍流強(qiáng)度Ti≤5‰，橫截面為0.92 m2的正方形。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用風(fēng)力機(jī)模型為兩葉片NACA 4415 翼型水平軸風(fēng)力機(jī)，葉片長150 mm，塔架為直徑30 mm的圓柱體，塔架高度為450 mm，保持風(fēng)輪中心位于閉口段中心。

PIV 測試技術(shù)可以通過流場中示蹤粒子的位移間接測量出流場速度并進(jìn)行分析。每個(gè)工況采樣3 次取平均值以提高風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，并且實(shí)驗(yàn)均在晚間進(jìn)行，以降低溫度與光線影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)備整體布置見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)采用相機(jī)固定不動，而移動風(fēng)力機(jī)的方案，并且分別采集了不同尖速比（λ=3、4、5）與不同來流風(fēng)速（U=9 m/s、10 m/s、11 m/s）下的尾跡數(shù)據(jù)。風(fēng)力機(jī)每300 mm（即1D，1 倍風(fēng)輪直徑）移動1 個(gè)軸向位置，實(shí)驗(yàn)共移動3 個(gè)位置（即x=R、x=3R、x=5R），見圖2。為了更為直接地觀察塔架對風(fēng)力機(jī)尾跡的影響，采用鎖相定位0°方位角方式對上、下兩窗口進(jìn)行拍攝，其中0°方位角定義為葉片垂直于地面時(shí)的位置。

圖2 風(fēng)力機(jī)軸向移動位置示意

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

湍流強(qiáng)度分析如下。

2.1 不同風(fēng)速

湍流強(qiáng)度可以表征流體脈動的強(qiáng)弱，是反映風(fēng)力機(jī)尾跡湍流特征的重要參數(shù)之一，可以由式（1）表示

其中U' 為湍流強(qiáng)度漲落標(biāo)準(zhǔn)差，又稱脈動速度均方根。提取不同來流風(fēng)速各位置湍流強(qiáng)度云圖，見圖3。由圖3 可知，三種來流風(fēng)速條件下塔架都增加了塔架后方尾跡區(qū)的湍流強(qiáng)度，并且x=3R 處尾跡附著渦區(qū)均有一個(gè)較低強(qiáng)度的湍流帶隨著尾跡發(fā)展逐漸向葉尖渦區(qū)蔓延，說明塔架的影響隨著尾跡發(fā)展逐漸降低，并由附著渦區(qū)開始。隨著來流風(fēng)速的增加，低強(qiáng)度湍流帶在x=3R 處更為明顯并且蔓延范圍越大，說明風(fēng)速越高，塔架后方附著渦區(qū)尾跡湍流強(qiáng)度恢復(fù)越快。

圖3 不同來流風(fēng)速下尾跡湍流強(qiáng)度云圖

圖4 是圖3 的量化分析，是通過截取圖3 中不同來流風(fēng)速條件下不同徑向位置湍流強(qiáng)度做成的曲線圖。由圖4 可知，受塔架的影響，三種來流風(fēng)速條件下塔架后方尾跡各渦區(qū)湍流強(qiáng)度均受到不同程度影響，其中x=R 處葉尖渦區(qū)與附著渦區(qū)湍流強(qiáng)度顯著增加，而中心渦區(qū)湍流強(qiáng)度基本不變。隨著尾跡發(fā)展，輪轂上、下方中心渦區(qū)湍流強(qiáng)度分別增加與減小，塔架后方葉尖渦區(qū)與附著渦區(qū)湍流強(qiáng)度呈下降趨勢但整體略高于輪轂上方，說明塔架擾亂了塔架后方尾跡結(jié)構(gòu)，具有一定的摻混作用，但中心渦區(qū)較為穩(wěn)定并且輪轂上方會吸收來自塔架后方的能量。隨著風(fēng)速的增加，至U=11 m/s 時(shí)輪轂上方湍流強(qiáng)度顯著降低，而塔架后方相較于U=9 m/s 與10 m/s 時(shí)無明顯變化，說明塔架對于尾跡湍流強(qiáng)度的影響大于風(fēng)速變化。

圖4 不同來流風(fēng)速下尾跡湍流強(qiáng)度剖面

為進(jìn)一步探究尾跡渦系間能量傳遞特性，提取尖速比λ=3，不同來流風(fēng)速軸向位置為1#、2#、3#處湍動能剖面圖，見圖5。湍動能是反映尾跡特征的一個(gè)重要參數(shù)，可由式(2)定義

由圖5 可知，塔架后方湍動能明顯增加，說明塔架的存在促進(jìn)了塔架后方流體的徑向摻混，能量傳遞比輪轂上方更為劇烈。隨著尾跡發(fā)展，輪轂上、下方中心渦區(qū)一直存在峰值，說明輪轂上、下方中心渦區(qū)存在持續(xù)地能量傳遞。x=3R 與x=5R 處葉尖渦區(qū)仍存在峰值但逐漸降低，說明塔架后方尾跡與外部主流之間仍在進(jìn)行能量傳遞，但隨著尾跡恢復(fù)逐漸減弱。

圖5 不同來流風(fēng)速下無量綱化尾跡湍動能剖面

2.2 不同尖速比

圖6 為來流風(fēng)速U=10 m/s 時(shí)，尖速比分別為λ=3、4、5 時(shí)進(jìn)行了無量綱化處理的拼接云圖。如圖12所示，隨著尖速比的增加，塔架后方附著渦區(qū)低湍流帶出現(xiàn)位置明顯延后。λ=5 時(shí)，x=3R 處低湍流帶幾乎不可見，并且λ=3 時(shí)的低湍流帶相較于λ=5 時(shí)并無明顯蔓延，說明雖然尖速比的降低會促進(jìn)塔架后方尾跡湍流強(qiáng)度的恢復(fù)，但主要影響附著渦區(qū)。

圖6 不同尖速比下尾跡湍流強(qiáng)度云圖

圖7 是通過截取圖6 中不同尖速比下不同徑向位置湍流強(qiáng)度做成的曲線圖。由圖7 可知，隨著尖速比的增加，輪轂上方葉尖渦區(qū)與附著渦區(qū)湍流強(qiáng)度逐漸降低，其中附著渦區(qū)降低最為明顯。而在塔架后方，雖然x=R 處葉尖渦區(qū)與附著渦區(qū)湍流強(qiáng)度均顯著升高，但附著渦區(qū)湍流強(qiáng)度衰減速率隨著尖速比的降低而增加，也說明了尖速比降低會在一定程度上促進(jìn)塔架后方附著渦區(qū)湍流強(qiáng)度的恢復(fù)。

圖7 不同尖速比下尾跡湍流強(qiáng)度剖面

3 結(jié)論

運(yùn)用PIV 技術(shù)對不同來流風(fēng)速條件下風(fēng)力機(jī)0°方位角尾跡流場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)拍攝了上、下兩窗口尾跡流場，得到以下結(jié)論：塔架的影響隨著尾跡發(fā)展逐漸降低，并由附著渦區(qū)開始，塔架后方尾跡與外部主流之間的能量傳遞也隨著尾跡恢復(fù)逐漸減弱。同時(shí)，塔架擾亂了塔架后方尾跡結(jié)構(gòu)，具有一定的摻混作用。雖然中心渦區(qū)湍流較為穩(wěn)定，但會持續(xù)地進(jìn)行能量傳遞。風(fēng)速升高、尖速比降低都會一定程度上促進(jìn)塔架后方附著渦區(qū)湍流強(qiáng)度的恢復(fù)。