不同布置方案風(fēng)力機(jī)尾流及相互作用的實驗研究

楊　瑞, 王小麗 ,王　強(qiáng)，張志勇

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

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不同布置方案風(fēng)力機(jī)尾流及相互作用的實驗研究

楊瑞1,2, 王小麗1,王強(qiáng)1，張志勇1

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

摘要：以不同布置方案的風(fēng)力機(jī)尾流場為研究對象，運用壓差式風(fēng)速儀對風(fēng)力機(jī)尾流場的相互作用進(jìn)行研究。對于2臺風(fēng)力機(jī)，當(dāng)下游風(fēng)力機(jī)(第2臺風(fēng)力機(jī))全部或部分置于上游風(fēng)力機(jī)(第1臺風(fēng)力機(jī))的尾流場時，對下游風(fēng)力機(jī)的尾流場進(jìn)行測量。實驗結(jié)果表明：當(dāng)下游風(fēng)力機(jī)全部置于上游風(fēng)力機(jī)尾流場時，近尾流場受上游風(fēng)力機(jī)尾流的影響較大，遠(yuǎn)尾流場受上游風(fēng)力機(jī)尾流的影響較小，當(dāng)兩風(fēng)力機(jī)軸向距離5D時，上游風(fēng)力機(jī)對下游風(fēng)力機(jī)的影響整體較小，且來流逐漸融合，表現(xiàn)出小幅度波動現(xiàn)象；當(dāng)下游風(fēng)力機(jī)部分置于上游風(fēng)力機(jī)尾流場時，處于尾流場中的部分受上游風(fēng)力機(jī)尾流(主要是葉尖渦)的影響，與尾流區(qū)外的相比，該部分的尾流區(qū)速度損失嚴(yán)重，但穩(wěn)定性較好，當(dāng)風(fēng)力機(jī)橫向距離大于1.5D時，隨著橫向距離的增大，軸向速度逐漸增大；隨著軸向距離的增大，2種布置方案下軸向速度的變化幅度均逐漸減小。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)尾流場；布置方案；相互作用；軸向速度；軸向誘導(dǎo)速度；實驗研究

近幾年，隨著對風(fēng)能利用力度的逐漸加大，陸上風(fēng)資源的開發(fā)利用己基本達(dá)到飽和狀態(tài)，因此當(dāng)務(wù)之急是如何提高風(fēng)電場的效率。風(fēng)力機(jī)尾流之間的相互作用是風(fēng)電場功率損失的一個重要來源[1]。由于能量的轉(zhuǎn)移，風(fēng)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)之后，流動情況發(fā)生了很大的變化，即風(fēng)速減小，湍流強(qiáng)度增加。風(fēng)速減小會使下游風(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。經(jīng)過一段距離之后，在周圍氣流的作用下，風(fēng)速逐漸得到恢復(fù)，即為風(fēng)力機(jī)的尾流效應(yīng)。尾流區(qū)可分為近尾流區(qū)和遠(yuǎn)尾流區(qū)，近尾流區(qū)對風(fēng)力機(jī)的功率和其他性能有很大的影響，在遠(yuǎn)尾流區(qū)，主要研究尾流模型、地形影響、湍流模型等的選取，更著重于研究風(fēng)電場機(jī)組間的相互干擾[2]；因此，為了使有限面積的風(fēng)電場產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益，對風(fēng)力機(jī)尾流之間相互作用的研究很有必要。早期，對風(fēng)力機(jī)尾流的研究主要是理論分析，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算在風(fēng)力機(jī)尾流研究上得到了很大程度的應(yīng)用。相比于理論分析和數(shù)值模擬，實驗研究能夠更準(zhǔn)確、更直觀地揭示風(fēng)力機(jī)尾流場相互作用的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[3-6]在實驗室風(fēng)洞中利用PIV技術(shù)和熱線風(fēng)速儀進(jìn)行水平軸風(fēng)力機(jī)尾流場試驗，獲得了風(fēng)輪下游尾跡三維流場的定量信息。由于實驗條件的限制，風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)尾流場及尾流場的相互作用情況沒有得到研究。本文利用軸流式鼓風(fēng)機(jī)提供來流，使用壓差式精密風(fēng)速儀對2臺風(fēng)力機(jī)不同布置方案的尾流場進(jìn)行實驗研究，通過對比分析，獲得尾流區(qū)域軸向速度及軸向誘導(dǎo)速度的變化情況。

1實驗原理

1.1風(fēng)力機(jī)尾流測量范圍

在風(fēng)力機(jī)尾流研究中，Jenson模型是最基本的尾流模型，實驗中風(fēng)力機(jī)尾流場的測量范圍根據(jù)Jenson公式[7]設(shè)定：

(1)

式中：a為軸向誘導(dǎo)因子；rf為風(fēng)輪半徑。根據(jù)貝茨極限，當(dāng)風(fēng)輪半徑rf=0.535 m時，其遠(yuǎn)尾流區(qū)半徑約為0.756 m。

1.2皮托管測風(fēng)原理

風(fēng)力機(jī)尾流場的測量采用MP-120S手持式壓差風(fēng)速儀,與皮托管搭配測量風(fēng)速。在理想不可壓縮流體中，皮托管測速原理為

(2)

式(2)表明：知道流場中的總壓p0和靜壓p，其壓差即為動壓，由動壓可算出流體(風(fēng))的速度

(3)

式中：p0為流場總壓；p為流場靜壓；u為流體速度，這里指風(fēng)速；ρ為流體密度，空氣密度取1.225 kg/m3。

圖1　皮托管測速原理圖

2實驗設(shè)備

受天氣等外界因素的影響，實驗在蘭州理工大學(xué)風(fēng)洞實驗室進(jìn)行，實驗設(shè)備如表1所示。其中，7.5 kW軸流式鼓風(fēng)機(jī)提供實驗來流，且鼓風(fēng)機(jī)裝有整流罩，保證了實驗來流的均勻性。實驗選用的2臺小型水平軸風(fēng)力機(jī)，葉片數(shù)為3，直徑D為1.07 m，額定功率為100 W，啟動風(fēng)速為3.5 m/s，額定風(fēng)速為12.5 m/s，極限風(fēng)速為45 m/s。 實驗中，鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)力機(jī)及測量板中心在同一水平面，距地面1.5 m，且風(fēng)力機(jī)和測量板中心在同一軸向水平線。蓄電池作為風(fēng)力機(jī)的負(fù)載，將2臺風(fēng)力機(jī)發(fā)出的電通過控制器、電流表、電壓表、功率表，接入蓄電池，通過逆變后供給電燈泡，功率表用來隨時監(jiān)測風(fēng)力機(jī)功率。

表1　實驗設(shè)備

為保證實驗的合理性和準(zhǔn)確性，實驗中選取較大的尾流測量范圍，即測量板的半徑取1.3 m，平均分為10段，每段0.13 m。分別選取與地面平行(y方向)和垂直(z方向)的2 個方向進(jìn)行測量，測量范圍和測量點布置如圖2所示。

圖2　測量范圍及測點布置示意圖

3 實驗方案及實驗過程

受實驗條件限制，根據(jù)風(fēng)力機(jī)尾流場原理設(shè)計了2個實驗方案，如圖3所示。

方案1：下游風(fēng)力機(jī)完全置于上游風(fēng)力機(jī)尾流場中。

將2臺100 W水平軸風(fēng)力機(jī)置于3臺7.5 kW鼓風(fēng)機(jī)后，保證來流風(fēng)速約為12.5 m/s。上游風(fēng)力機(jī)距鼓風(fēng)機(jī)2 m，下游風(fēng)力機(jī)以上游風(fēng)力機(jī)為基準(zhǔn)，完全置于其尾流場后不同的位置，且兩風(fēng)力機(jī)中心在同一軸向水平線，如圖3(a)、(c)所示。對下游風(fēng)力機(jī)后3D、5D、8D的尾流場進(jìn)行多次測量，取平均值。由于鼓風(fēng)機(jī)提供的來流隨著軸向(x方向)距離的增加出現(xiàn)衰減，隨后對無下游風(fēng)力機(jī)的情況進(jìn)行多次測量，取平均值，得到尾流場3D、5D、8D處的速度場分布。通過計算、對比，從速度和誘導(dǎo)速度的角度對風(fēng)力機(jī)尾流的相互作用進(jìn)行分析研究。

方案2：下游風(fēng)力機(jī)部分置于上游風(fēng)力機(jī)尾流場中。

實驗時，將2臺100 W小型水平軸風(fēng)力機(jī)置于4臺7.5 kW鼓風(fēng)機(jī)后，保證來流風(fēng)速約為12.5 m/s。上游風(fēng)力機(jī)距鼓風(fēng)機(jī)2 m，下游風(fēng)力機(jī)以上游風(fēng)力機(jī)為基準(zhǔn)，部分置于其尾流場后不同的位置，兩風(fēng)力機(jī)中心橫向距離1.5D,如圖3(b)、(d)所示。對下游風(fēng)力機(jī)后3D、5D、8D的尾流場進(jìn)行多次測量，取平均值。與方案1相同，對無下游風(fēng)力機(jī)的情況進(jìn)行多次測量，取平均值，得到尾流場3D、5D、8D處的速度場分布。通過計算、對比，從速度和誘導(dǎo)速度的角度對風(fēng)力機(jī)尾流的相互作用進(jìn)行分析研究。

(a)方案1示意圖

(b)方案2示意圖

(c)方案1實驗圖

(d)方案2實驗圖

4實驗結(jié)果及分析

4.1方案1尾流場測量結(jié)果與分析

對有風(fēng)力機(jī)和無風(fēng)力機(jī)2種情況下的尾流場進(jìn)行測量，通過計算得到下游風(fēng)力機(jī)尾流場軸向速度分布，且對同一測量點處無風(fēng)力機(jī)和有風(fēng)力機(jī)時的軸向速度取差值(無風(fēng)力機(jī)時的軸向速度值減去有風(fēng)力機(jī)時的軸向速度值)，得到該測量點的軸向誘導(dǎo)速度。對不同方向的尾流場軸向速度和軸向誘導(dǎo)速度進(jìn)行曲線擬合，得到不同方向上尾流場的變化情況。

圖4中(a)、(b)示出兩風(fēng)力機(jī)距離5D、8D時，下游風(fēng)力機(jī)垂直方向不同距離處的軸向速度變化曲線。隨著垂直方向距離的增大(由中心點向兩邊增大)，圖4(a)中下游風(fēng)力機(jī)后的軸向速度表現(xiàn)出整體減小的變化趨勢。3D處的軸向速度先增大后逐漸減小，5D、 8D處的軸向速度則先減小后增大再減小。圖4(b)中的軸向速度隨著垂直距離的增大，在小范圍內(nèi)波動，8D處的軸向速度在波動的同時逐漸減小。圖5中(a)、(b)為兩風(fēng)力機(jī)距離5D、8D時，下游風(fēng)力機(jī)水平方向不同距離處的軸向速度變化曲線圖。圖5中隨著水平距離的增大，軸向速度變化趨勢一致，先增大后減小。圖5(a)的軸向速度變化幅度較大，且隨著軸向距離的增大，軸向速度逐漸減小，且對稱性較好。

(a)距離5D

(b)距離8D

(a)距離5D

(b)距離8D

圖6中(a)、(b)示出兩風(fēng)力機(jī)距離5D、8D時，下游風(fēng)力機(jī)垂直方向不同距離處的軸向誘導(dǎo)速度變化曲線。隨著垂直方向距離和軸向距離的增大，軸向誘導(dǎo)速度逐漸減小，8D處的軸向誘導(dǎo)速度變化表現(xiàn)為小范圍的波動，且兩風(fēng)力機(jī)距離越近，軸向速度變化幅度越大。圖7中(a)、(d)示出兩風(fēng)力機(jī)距離5D、8D時，下游風(fēng)力機(jī)水平方向不同距離處的軸向誘導(dǎo)速度變化曲線。從圖7可以看出，軸向誘導(dǎo)速度隨著水平距離的增大先減小后增大，最后再減小，且對稱性較好，當(dāng)兩風(fēng)力機(jī)距離8D時，變化幅度較平緩。

總結(jié)上圖兩臺風(fēng)力機(jī)尾流場相互作用的曲線圖，從軸向速度和軸向誘導(dǎo)速度的變化角度可以看出，下游風(fēng)力機(jī)的尾流變化除了受自身旋轉(zhuǎn)、來流衰減、地面粗糙度等因素的影響，還由于上游風(fēng)力機(jī)不均勻尾流場非對稱延伸，尾流疊加，使得下游風(fēng)力機(jī)尾流場的變化情況更加復(fù)雜。3D、5D處的尾流場受上游風(fēng)力機(jī)尾流的影響較大，變化趨勢及變化幅度較明顯，8D處的尾流場受上游風(fēng)力機(jī)尾流的影響較小，且與來流逐漸融合，表現(xiàn)出小幅度波動現(xiàn)象。由于來流衰減，恢復(fù)后的尾流場速度小于來流風(fēng)速。

(a)距離5D

(b)距離8D

(a)距離5D

(b)距離8D

4.2方案2尾流場測量結(jié)果與分析

對有風(fēng)力機(jī)和無風(fēng)力機(jī)兩種情況下的尾流場進(jìn)行測量，通過計算得到第2臺風(fēng)力機(jī)尾流場軸向速度分布，且對同一測量點處無風(fēng)力機(jī)和有風(fēng)力機(jī)時的軸向速度取差值(無風(fēng)力機(jī)時的軸向速度值減去有風(fēng)力機(jī)時的軸向速度值)，得到該測量點的軸向誘導(dǎo)速度。對不同方向的尾流場軸向速度和軸向誘導(dǎo)速度進(jìn)行曲線擬合，得到不同方向上尾流場的變化情況。

圖8(a)、(b)示出兩風(fēng)力機(jī)距離3D、5D時，下游風(fēng)力機(jī)垂直方向不同距離處的軸向速度變化曲線；圖9(a)、(b)示出兩風(fēng)力機(jī)距離3D、5D時，下游風(fēng)力機(jī)水平方向不同距離處的軸向速度變化曲線。當(dāng)下游風(fēng)力機(jī)部分置于上游風(fēng)力機(jī)的尾流場時，從圖8可以看出，隨著垂直方向距離的增大，當(dāng)兩風(fēng)力機(jī)軸向距離3D時，z軸負(fù)方向的軸向速度整體變化趨勢為逐漸增大，z軸正方向軸向速度逐漸減小。當(dāng)兩風(fēng)力機(jī)距離5D時，下游風(fēng)力機(jī)尾流場軸向速度先增大后減小，但整體呈減小的變化趨勢。從圖9可以看出，y/R=-3增大到y(tǒng)/R=3的過程中，軸向速度先增大后減小，y/R=1.8時，不同情況下的軸向速度取最大值。

(a)距離3D

(b)距離5D

(a)距離3D

(b)距離5D

圖10(a)、(b)示出兩風(fēng)力機(jī)距離3D、5D時，下游風(fēng)力機(jī)垂直方向不同距離處的軸向誘導(dǎo)速度變化曲線。圖11(a)、(b)示出兩風(fēng)力機(jī)距離3D、5D時，下游風(fēng)力機(jī)水平方向不同距離處的軸向誘導(dǎo)速度變化曲線。從圖10可以看出，軸向誘導(dǎo)速度隨著垂直距離的增大逐漸減小，8D截面處的軸向誘導(dǎo)速度變化表現(xiàn)為小幅度波動，兩風(fēng)力機(jī)距離越近，變化幅度越大。圖11中y/R=-3增大到y(tǒng)/R=3時，水平方向軸向誘導(dǎo)速度先增大后減小，隨著軸向距離的增加，變化幅度逐漸減小。

當(dāng)下游風(fēng)力機(jī)部分置于上游風(fēng)力機(jī)尾流場時，處于尾流場中的部分除受風(fēng)輪自身旋轉(zhuǎn)的影響，還受上游風(fēng)力機(jī)尾流(主要是葉尖渦)的影響，與尾流區(qū)外的部分相比，該部分的尾流區(qū)速度損失嚴(yán)重，但由于湍流度較大，穩(wěn)定性較好。隨著橫向距離的增大，軸向速度逐漸增大，隨著軸向距離的增大，軸向速度變化幅度逐漸減小，說明上游風(fēng)力機(jī)尾流對下游風(fēng)力機(jī)的影響逐漸減小。隨著軸向距離的增大，由于受來流衰減的影響，下游風(fēng)力機(jī)尾流場速度小于來流風(fēng)速。

(a)距離3D

(b)距離5D

(a)距離3D

(b)距離5D

4.3不同方案風(fēng)力機(jī)尾流場的比較

圖12(a)、(b)、(c)示出2種方案下，下游風(fēng)力機(jī)垂直方向不同距離處的軸向速度變化曲線，圖13(a)、(b)、(c)示出兩種方案下，下游風(fēng)力機(jī)水平方向不同距離處的軸向速度變化曲線。從圖12可以看出，不同方案下垂直方向的軸向速度變化趨勢基本一致，從圖13可以看出，不同方案下水平方向的軸向速度變化差異較大。方案1中3D、5D截面處的軸向速度值大于方案2中處于尾流場部分的軸向速度，小于未處于尾流場部分的軸向速度。由于風(fēng)力機(jī)葉尖及輪轂產(chǎn)生的湍流可以使尾流得到較快的恢復(fù)，隨著軸向距離的增加，方案1中下游風(fēng)力機(jī)尾流的軸向速度值大于方案2，且水平方向軸向速度對稱性較好，受地面粗糙度和塔架的影響，垂直方向?qū)ΨQ性較差。

(a)3D

(b)5D

(c)8D

(a)3D

(b)5D

(c)8D

圖14(a)、(b)、(c)示出兩種方案下，下游風(fēng)力機(jī)垂直方向不同距離處的軸向誘導(dǎo)速度變化曲線，圖15(a)、(b)、(c)示出兩種方案下，下游風(fēng)力機(jī)水平方向不同距離處的軸向誘導(dǎo)速度變化曲線。圖14中不同方案下軸向誘導(dǎo)速度變化趨勢相似，與軸向速度變化趨勢相反，圖15中不同方案下軸向誘導(dǎo)速度變化趨勢差異較大。垂直和水平方向上方案2不同截面處的軸向誘導(dǎo)速度值大于方案1， 說明全部處于上游風(fēng)力機(jī)尾流中的下游風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)內(nèi)的速度損失較小，且尾流場疊加，湍流度增強(qiáng)，使尾流場恢復(fù)的較快。隨著軸向距離的增加，兩種方案的軸向誘導(dǎo)速度差值逐漸減小，垂直方向上8D處的軸向誘導(dǎo)速度值相互交錯，在小范圍內(nèi)波動。

(a)3D

(b)5D

(c)8D

5結(jié)論

1)當(dāng)下游風(fēng)力機(jī)全部置于上游風(fēng)力機(jī)尾流場時，下游風(fēng)力機(jī)的尾流變化除受自身旋轉(zhuǎn)、來流衰減、地面粗糙度等因素的影響，還由于上游風(fēng)力機(jī)不均勻尾流場的非對稱延伸，尾流疊加，使得下游風(fēng)力機(jī)尾流場的變化情況更加復(fù)雜。近尾流場受上游風(fēng)力機(jī)尾流的影響較大，變化趨勢及變化幅度較明顯，遠(yuǎn)尾流場受上游風(fēng)力機(jī)尾流的影響較小，當(dāng)兩風(fēng)力機(jī)軸向距離5D時，上游風(fēng)力機(jī)對下游風(fēng)力機(jī)的影響整體較小。

(a)3D

(b)5D

(c)8D

2)當(dāng)下游風(fēng)力機(jī)部分置于上游風(fēng)力機(jī)尾流場時，處于尾流場中的部分除受風(fēng)輪自身旋轉(zhuǎn)的影響，還主要受上游風(fēng)力機(jī)尾流(主要是葉尖渦)的影響，與尾流區(qū)外的部分相比，該部分尾流區(qū)速度損失嚴(yán)重，但由于湍流度較大，穩(wěn)定性較好。當(dāng)風(fēng)力機(jī)橫向距離大于1.5D時，隨著橫向距離的增大，軸向速度逐漸增大。隨著軸向距離的增大，軸向速度變化幅度逐漸減小，說明上游風(fēng)力機(jī)尾流對下游風(fēng)力機(jī)的影響逐漸減小。

3)通過兩方案對比可以看出，全部處于上游風(fēng)力機(jī)尾流中的下游風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)內(nèi)的速度損失較小，且尾流場疊加，湍流度增強(qiáng)，使尾流場恢復(fù)的較快。受葉尖渦的影響，下游風(fēng)力機(jī)置于尾流場中的部分軸向速度損失嚴(yán)重。整體來說，方案2的尾流影響小于方案1；但隨著軸向距離的增加，2種方案下的尾流場變化逐漸接近，并且尾流與來流逐漸融合，表現(xiàn)出小幅度波動現(xiàn)象。

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(編校：夏書林)

Experimental Study of Wind Turbine Wake and the Interaction in Different Layout Scheme

YANG Rui1,2,WANG Xiaoli1, WANG Qiang1, ZHANG Zhiyong1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering，LanzhouUniversityofTechnology，Lanzhou730050China;2.WindTurbineEngineeringTechnologyResearchCenterofGanSuProvince，Lanzhou730050China)

Abstract:The research object is the wake of wind turbine under different layout schemes. The precision anemometer was used to measure and study the interaction of wind turbine wake. For two wind turbines, the wake of the downstream wind turbine was measured when all or part of the downstream wind turbine (second wind turbine) was in the wake field of the upstream wind turbine (first wind turbine). The experimental results show that upstream wind turbine wake influences the near wake of downstream wind turbine greater than the far wake of downstream wind turbine and the flow gradually merges with the phenomenon of small amplitude fluctuations when all the downstream wind turbine are in the upstream wind turbine wake field. When the distance of the two wind turbines is equal to 5D, the influence of upstream wind turbines on the downstream wind turbine becomes little . When part of the downstream wind turbine is in the upstream wind turbine wake field, the part in the wake is influenced by upstream wind turbine wake (mainly tip vortex) and the velocity loss of the part in the wake region is more serious than that of the part out of the wake while the stability becomes better. The axial velocity increases gradually when the horizontal distance of the wind turbine is more than 1.5D. The variation of axial velocity under two kinds of layout schemes is gradually decreased with the increasing of axial distance.

Keywords:wake of wind turbine; layout; interaction; axial velocity; axial induced velocity; experimental study

收稿日期：2015-07-02

基金項目：國家自然科學(xué)基金(11162009)。

中圖分類號：TK83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-159X(2016)03-0080-9

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.03.017

第一作者：楊瑞(1970—)，男，教授，博士，主要研究方向為風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)。

·能源與環(huán)境·