水平軸風力機尾跡流場摻混流動的實驗研究

東雪青 ， 劉 釗 ， 汪建文 ，章書成

（1.內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.風能太陽能利用技術省部共建教育部重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051）

水平軸風力機尾跡流場摻混流動的實驗研究

東雪青1，2， 劉 釗1， 汪建文1，2，章書成1，2

（1.內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.風能太陽能利用技術省部共建教育部重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051）

為研究風力機尾跡的流動狀態以及摻混規律，在水平軸風力機模型不同尖速比、不同風速的條件下，利用高頻PIV系統對風力機下游遠至4.5倍風輪直徑范圍內的尾流數據進行采集。首先對軸向平均速度云圖和曲線圖進行分析，發現尾跡流場與外部主流區的摻混現象；對比尖速比為4和6，相對半徑為0.1R處的平均軸向速度曲線圖，發現隨著尖速比的增加，尾跡區域的軸向速度恢復的更快，摻混現象更加嚴重。然后觀察徑向平均速度云圖，發現風輪后方的流體在徑向方向的運動規律是外部主流區的流體通過葉尖渦誘導效應區的輸運和卷吸作用下持續進入尾跡區域，并與之摻混。最后通過對比不同相對半徑處的徑向曲線圖，得到尾跡流場的狀態：先節流降壓膨脹，然后壓力恢復尾跡收縮；隨著外部高壓流體的的持續流入，尾跡再次膨脹，直至恢復到來流狀態。

高頻PIV；尾流；尾跡摻混；輸運作用

0 引 言

風能是一種可再生能源，對環境無污染，在全球許多地域的儲存量巨大，用之不竭，當今風力發電已成為新能源技術中最成熟、最具商業化價值、最有經濟性的發電方式之一[1-3]。2014年全球風電一掃2013年全球市場的低靡景象，年新增裝機容量51.47 GW，創歷史新高突破50 GW大關，年增長率達44%，全球風電進入高水平發展時期[4]，在國家的高度重視下，我國風力機技術的研究也取得了較大的發展，其中在空氣動力學、結構動力學、材料力學以及微氣象學等領域獲得了顯著的進步[5]。

氣流通過旋轉的風輪時產生動量損失，會在風輪轉子下游形成風速下降的局部粘性區域，該區域被稱為尾跡[6]。由于風輪吸收了部分風能，因此風力機后風速會有一定程度的減小，但由于與外部氣流的摻混下風速會逐漸恢復到來流風速[7]。而這一摻混過程以及速度恢復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。風力機尾流之間的相互作用是風電場功率損失的一個重要來源[8]。風速減小會使下游風力機的輸出功率減少，尾跡附加的強湍流會影響下游風力機的疲勞載荷、使用壽命和結構性能[9]。因此，加快尾流與外部流場的摻混進而加快尾流的恢復，能夠減少對下游風力機的不利影響，進而提高風電場的整體效益，具有重要意義。

國內外對于風力機尾跡是如何與外部流場進行摻混進而恢復來流狀態的研究幾乎沒有。大部分的學者主要關注的是通過改變一些外部條件，比如風力機在風場中的布局或者改變風力機的一些參數，比如尖速比，偏航角等措施來加快尾流的恢復，降低尾流效應帶來的損失。西班牙的Gonzalez等[10]提出通過選擇每臺風力機的最佳槳距角和最佳葉尖速比的方法來優化尾流效應，提高風電場發電能力。挪威的Adaramola等[11]通過對尾流效應對風力機性能的影響進行了實驗研究發現，下游風力機的最大功率系數的減小取決于風力機之間的距離和上游風力機的操作條件。上海的胡丹梅等[12]采用CFD商業軟件，對兩臺風力機采取不同的安裝間距進行模擬，擬找出不同排列方式下風力機之間的最佳距離，降低風電場中尾流效應對風力機之間的相互影響。新疆大學的高填[13]采用三維軟件UG研究了單臺風力機的尾流狀態和多臺風力機兩種優化布置方案的互擾狀況。

本文利用二維高頻粒子圖像測速法（PIV）對小型風力機全尾跡流場進行風洞測試，尋找尾跡與外部流場的摻混規律和尾跡的流動狀態，以及不同工況對尾跡摻混的影響，進而為日后通過采用更加主動簡便的方法來加快尾流的恢復提供理論基礎。

1 實驗設備及方案

1.1 實驗風洞

本實驗在內蒙古工業大學的B1/K2低速風洞閉口段進行。閉口實驗段：長度2.5m，橫截面為0.92m×0.92m的正方形，最大風速可達60m/s，實驗段湍流度 ε≤5‰。

1.2 風力機模型

該風力機模型為雙葉片型水平軸風力機，以NACA4415翼型為原型，設計半徑與實際半徑比例選為1∶5，風力機模型旋轉半徑為150mm，塔架高度為450mm。風力機模型如圖1所示。

圖1 風力機模型

1.3 高頻PIV系統

本次實驗采用二維高頻PIV系統進行測試，采用ND:YLF LDY 300高重復率激光器，最大輸出功率為150W，脈寬為100 ns；型號為HighSpeedStar 8的高靈敏度、兆像素分辨率數碼相機。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，為了保證數據分析的合理和簡便，取整數），如圖2所示。

圖2 高頻PIV系統

1.4 實驗方案

實驗系統的整體布置如圖3所示。為了拍攝全尾跡流場，考慮到實際條件的限制及閉口實驗段空氣流動比較穩定，整個閉口段的風速基本上是一致的，所以采用固定相機，而移動風力機組的方案。如圖4所示，每隔150mm移動一個軸向位置，一共移動1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#這 9 個軸向位置，即拍攝 9 個窗口，如圖4所示。拍攝窗口尺寸為200mm×200mm，重疊域寬為50mm。

圖3 實驗布置圖

圖4 風力機移動軸向圖（單位：mm）

定義經過葉尖前緣點與風輪旋轉中心線并且垂直于水平面為0°方位面。固定風力機偏航角為0°，選定的來流風速為10m/s，尖速比λ（風輪葉片尖端線速度與來流風速之比）為4，5，6?？紤]到拍攝效果最佳，采樣頻率定為1000Hz，為滿足紊流流動時均流場各物理量的穩定性，拍攝樣本數定為1 000張，每一工況采集3次（可以進行對比，提高采集的準確性）。

2 實驗結果分析

為了直觀分析尾跡流場整體的速度場結構特征，首先對9個窗口的軸向和徑向速度場云圖進行平均以保證每個窗口的數據具有同一性，然后利用Tecpolt軟件把每個窗口的云圖進行數據拼接。圖5～圖11是風速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據，用Origin畫出平均速度曲線圖。Y代表風輪徑向距離，X代表風輪后方軸向距離。

圖5和圖6表征的是風速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應位置進行拼接（由于對1 000張速度云圖做了時間平均，導致每兩張圖之間速度會出現不連續的現象，因此出現速度的“跳躍”）。圖中包含了風力機尾跡中軸向速度衰減和恢復的全過程。觀察圖5，可以發現幾乎在所有區域內靠近葉根處尾跡的軸向速度最低，沿徑向逐漸增大，并且流速有分層現象，風通過風輪后，速度先緩慢降低，然后隨著軸向距離的增加，外部主流區的流體與風力機尾跡摻混使得軸向跡速度逐漸恢復。對比圖5、圖6可以看出隨著尖速比的增加，中央尾跡區的軸向速度恢復得更快，λ=6時的尾跡流場摻混更嚴重。

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中數據按不同相對半徑沿軸向抽取數據。λ=4和λ=6，在風輪后方靠近風輪處軸向速度的變化趨勢是十分相似的，首先由于節流膨脹的作用，風通過風輪在后方出現軸向速度減小現象，但在膨脹過程中在葉片后方受到發電機的影響，軸向速度稍有回升；緊接著風力機尾跡的軸向速度回升，這與尾跡被周圍流體壓縮有關；然后隨著尾跡向后發展，由于尾流周圍外部主流區的逐漸摻混，使得軸向速度得以慢慢恢復。從圖8可以看出，在同一相對半徑處，隨著尾跡向下游的發展，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，外部主流區的高壓流體與尾跡內的低壓流體摻混加劇，尾跡區內的軸向速度恢復更快。

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

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中數據按不同相對半徑沿軸向抽取數據，對徑向速度進行量化分析。相對半徑為0.1R，0.4R，0.7R處沿軸向距離的徑向速度曲線規律基本相似。首先，風通過風輪在風輪后由于節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展，膨脹的速度越來越慢 （速度逐漸減小，由于電機的阻礙）越靠近中心節流作用越明顯，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了急劇大幅反向增加的情形，這是由于這兩個位置位于發電機后端面附近，沿著發電機殼體流動的來流在此位置向下繞流。隨軸向距離的增加，外部主流區的高壓流體的逐漸摻混使得徑向速度由負值逐漸趨近于零即Vy=0，尾跡收縮結束；然后徑向速度由Vy=0逐漸增加，外部主流區流體摻混引起尾跡區流場壓力回升直至測試4.5倍風輪直徑處。

圖11 V=10m/s，λ=4、6徑向平均速度曲線圖

相對半徑0.9R處徑向速度在風輪后方降到負值后，沿軸向一直維持負值。證明外部空氣在該位置處持續流入，由此可以得出，相對半徑為0.9R位置所處的葉尖渦誘導效應區具有將外部主流區的空氣輸運進入中央尾跡區域的能力；在相對半徑為0.1R～0.7R位置處，尾跡向下游發展的過程中徑向速度先逐漸減小，隨著葉尖渦誘導效應區輸運作用的積累，進入尾跡中央區域的外部高壓流體越來越多，并與尾跡內的流體摻混，促使尾跡內壓力繼續升高，尾跡開始收縮，徑向速度隨之增大，并在遠尾跡變為正值。

經過以上分析，風輪和電機的節流膨脹作用使毗鄰風輪后方的尾跡膨脹，壓力突然降低；然后，在外部主流區高壓流體的摻混下，尾跡流場內壓力逐漸恢復，尾跡逐漸收縮。隨著尾跡繼續向下游發展，在葉尖渦誘導效應區的輸運作用下，外部主流區的空氣持續進入尾跡中央區域，從而使此區域內的空氣壓力繼續升高，最終與外部主流區融合。

3 結束語

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

2）在徑向方向上，流體的運動狀態是：外部主流區的流體通過位于葉尖附近的葉尖渦誘導效應區（輸運作用）逐漸流入尾流區域，并與之摻混。

3）風輪后方尾跡流場的狀態是：先節流降壓膨脹；然后壓力恢復尾跡收縮；隨著外部主流區的高壓流體持續進入中央尾跡區，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

國家自然科學基金項目（51366010）；風能太陽能利用技術省部共建教育部重點實驗室開放基金項目（201504）

東雪青（1972-），男，副教授，博士，主要從事風力機尾跡流場方向的研究。