基于PIV 技術分析材質對風力機葉片繞流流場特性的影響

張嘉奇， 張立茹，2， 牛佳佳， 王雪麗

（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教育部重點實驗室（內蒙古工業大學）， 內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

風能是取之不盡的清潔能源， 風力機葉片是風能的主要轉換部件， 葉片的繞流流場特性是風力機葉片優化設計的基礎。 在風力機葉片繞流流場研究方面， 通過數值模擬方法研究葉片的三維流動特性， 使用大渦模擬方法可提高翼型全流向繞流的預測精度。 文獻[1]通過改變葉片外形研究繞流流場特性， 并利用數值方法對凹凸前緣的風力機葉片繞流流場特性與氣動性能進行了研究。文獻[2]對鈍后緣葉片施加環量控制方法，研究了鈍后緣葉片的升阻力特性。 文獻[3]研究了鋸齒尾緣葉片的相對齒寬和相對齒高對繞流流場氣動性能的影響。同時，研究人員通過大量風洞實驗研究了葉片的繞流流場。 文獻[4]利用LDV（激光多普勒）方法分析了翼型截面的速度場與邊界層。文獻[5]使用PIV（粒子圖像測速）方法測試了風力機動態繞流流場的繞流結構與翼型截面的流動特性。文獻[6]對雙葉片風力機的平均速度和平均動能等尾流特性參量進行了分析， 并與三葉片風力機進行了對比。 文獻[7]研究了攻角變化對近壁面流場及邊界層分離泡的影響。

近年來， 已有學者考慮到葉片變形后與繞流流場的相互影響， 在葉片變形與流場特性關聯領域開展了研究。文獻[8]使用數字圖形相關法（DIC）測量了懸停狀態的葉片變形數據。 文獻[9]利用邊界元法模擬了偏航狀態下葉片變形對氣動性能的影響。 文獻[10]通過雙向流固耦合數值模擬方法，利用實木和環氧樹脂材料葉片的尾跡流場與輸出功率計算了葉片表面變形分布并進行了對比，發現葉片材料不同，變形不同，尾跡渦量和速度虧損均不同。

由于材質不同的葉片在流場中變形不同，對流場的影響不同，繞流流場特性也不同。 目前，對繞流流場的研究主要是利用數值模擬方法對靜止狀態的翼型繞流以及單一葉片的動態繞流進行實驗， 還缺少葉片材質對動態繞流流場影響的實驗研究。 本文使用PIV 方法對兩副不同材質的風力機葉片的動態繞流流場進行了研究， 通過對比兩副葉片繞流流場的變化情況， 分析葉片材質變化對流場特性的影響， 從而為流固耦合數值模擬提供實驗數據支持。

1 實驗設備及方案

1.1 實驗設備

實驗在內蒙古工業大學低速風洞開口實驗段進行，風洞全長24.59 m。 風洞出口直徑為2 m，最低點距地面0.58 m，出口平面距風輪平面0.66 m。實驗使用三葉片水平軸風力機， 選用一種加厚的S 型翼型，半徑為0.7 m，額定風速為10 m/s。 由同一廠家使用同一模具制作兩副風輪的葉片， 一副為玻璃聚酯葉片，文中稱為A 葉片，另一副使用相同材料內部空心填充泡沫，稱為B 葉片（圖1）。

圖1 實驗用葉片圖Fig.1 Experimental blade

實驗使用LaVsion 公司的PIV 系統。 該系統由激光器（最大脈沖能量為800 MJ，脈寬為4 ns，波長為532～1 064 nm）、激光器電源、VC-Imager Pro X CCD 相機、同步器（將激光器、CCD 相機和計算機連接同步控制）、相機電源、示蹤粒子發生器（產生1～2 μm 的煙霧粒子）和標定靶盤等組成。

1.2 實驗方案

實驗設備的布置如圖2 所示。 相機拍攝位置在風輪側方，激光由葉片的后方逆來流方向發出，垂直照射到葉片的吸附面上。 使用光電傳感器外部觸發， 追蹤單只葉片旋轉到葉片前緣水平位置時拍攝。 選取風輪中心為坐標原點，x 軸以來流方向為正方向，y 軸以垂直地面向上為正方向。 測試截面平行于xoy 平面，實驗在額定風速為10 m/s、葉尖速比λ 分別為4.5，5，5.5 和6（對應轉速分別為614.2，682，750.3 r/min 和818.9 r/min）下進行。

圖2 實驗設備的布置Fig.2 Arrangement of experimental equipment

1.3 誤差分析

每次更換拍攝位置須要重新標定CCD 相機的拍攝區域，為了減小誤差，對兩副葉片在同一截面的拍攝只更換葉片（光電傳感器觸發位置設置在連接法蘭盤上）。 由于葉片翼型和外形相同，拍攝區域相同，實驗工況相同時，視葉片材質為單一變量。

不改變標定位置，相同工況下多次測量，對歸一化軸向速度進行誤差分析，結果如圖3 所示。與第一次測量數據相比： 在相對高度y/R=0.17 處，最大誤差為12.91%；在y/R=0 處，誤差為6.62%；在y/R=0.285 處，誤差為7.59%。 在不更換拍攝位置的情況下，實驗誤差在可接受范圍內。

圖3 多次測量誤差分析Fig.3 Multiple measurement error analysis

2 實驗結果分析

2.1 不同截面的軸向速度對比分析

風輪是風能轉換的主要裝置。風經過風輪時，風輪吸收動能造成動能轉移， 風輪后的風速會下降。選取相對軸向速度u/U（u 為軸向速度，U 為軸向速度最大值）進行歸一化處理作為縱坐標，相對高度y/R 作為橫坐標。 圖4 為不同λ 下A，B 葉片在各測試截面的u/U。

圖4 不同徑向位置處A，B 葉片軸向速度Fig.4 Axial velocity of blades A and B at different radial positions

由圖4（a）可知：當λ 相同時，A 葉片的u/U最小值小于B 葉片， 且最小值對應的y/R 差異較大；隨著λ 的增大，A 葉片的u/U 減小，最小值對應的y/R 從λ 為4.5 時的y/R=0.11 減小到λ 為6時的y/R=0.072，且u/U 出現負值，可能是此時風輪與塔架產生共振，或者是λ 較高時來流繞過葉片后反向壓力梯度減小，邊界層黏度也會降低流速，共同影響造成流向相反；B 葉片u/U 減少，最小值對應的y/R 從0.055 降低到0.027；葉尖位置葉片變形較大，對流場影響較大，所以導致不同材質葉片葉尖位置的u/U 最小值對應位置變化規律不一致；當λ 為4.5 時，（u/U）A=0.285，（u/U）B=0.382；當λ 為5 時，A，B 葉片的歸一化速度分別減小10.52%和5.49%；當λ 為5.5 時，A，B 葉片的歸一化速度分別減小85.96%和41.62%；當λ 為6 時，B 葉片較λ 為4.5 時， 歸一化速度減小52.09%；在y/R=1 處， 相同工況下葉片材質不同對u/U 造成的影響大于λ 變化造成的影響。

由圖4（b）可知：當y/R 為0.1～0.15 時，u/U 達到最小值；λ 越大，A，B 葉片u/U 最小值對應的位置越低， 而B 葉片u/U 最小值對應的y/R 大于A葉片，但相同工況下A，B 葉片u/U 最小值對應的y/R 差小于0.01， 遠小于兩副葉片在葉尖位置處的u/U 最小值對應的y/R 差； 葉片變形小于葉尖位置，變化規律一致；兩副葉片的u/U 有明顯且較為均勻的差值， 說明葉片材質變化對在r/R=0.85處的流程有較大影響， 差值均勻說明此處流場較穩定；當λ 為4.5～6 時，A，B 葉片u/U 最小值分別減小了55.04%和19.89%； 相同λ 下，A 葉片u/U最小值比B 葉片減小54.51%以上，表明實驗工況下葉片材質對u/U 的影響大于λ 對其影響。

由圖4（c）可知，u/U 最小值對應位置和u/U變化趨勢與圖4（b）一致，但圖4（c）中兩副葉片的u/U 差距很小， 說明在r/R=0.71 處葉片材質對軸向速度影響較小。

因此， 本文只選取葉尖位置數據進行處理分析。 A 葉片在λ 為4.5 時，vx=-0.13 m/s，明顯低于其他工況，并且速度最低點位置y/R 為0.17，較其他工況偏大。 文獻[4]的實驗結果說明當r/R=0.7時，低λ 下葉片在后緣上流動矢量變化大，表面流場不附著，速度較低。 本文的結果與文獻[4]的結果是一致的。

2.2 不同截面的平均動能對比分析

圖5 為不同λ 下葉片A，B 在測試截面處的平均動能EK。 由圖5 可知，葉片A 的EK小于葉片B，說明流場通過風力機葉片A 的動能減小更多，減小的動能一部分轉化為機械能，另一部分通過湍流運動以熱量形式耗散。圖5 中EK的變化規律與u/U 是一致的。

圖5 不同徑向位置處A，B 葉片平均動能Fig.5 Average kinetic energy of blades A and B at different radial positions

由圖5（a）可知：兩副葉片的EK最小值對應的y/R 相差較多，λ 越大，EK最小值對應的y/R 越小；當y/R 為0.06～0.1 時，A 葉片的EK達到最小；當y/R 為0.014～0.06 時，B 葉片的EK達到最小；葉尖位置變形較大，葉片材質對流場影響較大；B葉片的EK大于A 葉片，當λ=4.5 時，A 葉片的EK最小值EKmin為0.456，B 葉片的EKmin為0.885；當λ 為5 時，A，B 葉片的EKmin分別減小了15.35%和16.04%； 當λ 為6 時，A，B 葉片的EKmin分別減小了80.92%和69.04%；當λ 相同時，A 葉片的EKmin比B 葉片的EKmin小48.07%以上。 綜上所述，在實驗工況下， 葉片材質不同對平均動能的影響大于λ 變化造成的影響。

由圖5（b）可知：EK與圖4（b）中u/U 的變化規律一致， 各λ 下，B 葉片的EK均大于A 葉片，EKmin對應的y/R 差距較小；當λ 為4.5 時，A，B 葉片的EKmin分別為0.315 和1.21；當λ 為6 時，A，B葉片的EKmin分別減小了11.11%和0.58%；隨著λ的減小，EKmin變化小于11%，當葉片材質不同時，A 葉片的EKmin比B 葉片小73.96%。 這表明葉片材質不同對EK的影響大于對λ 的影響。

由圖5（c）可知：兩副葉片在各個λ 下EK曲線均比較接近； 當λ 為4.5～6 時，A，B 葉片的EK分別減少了31.51%和33.82%； 當EK為最小值EKmin時，A 葉片對應的y/R 從0.142 升高到0.165，B 葉片對應的y/R 從0.165 升高到這0.202； 當λ為4.5 時，A 葉片的EK比B 葉片小22%； 當λ 為6 時，A 葉片的EK比B 葉片小19.52%； 當r/R 為0.71 時， 葉片材質不同對EK的影響比λ 造成的影響小，但相差不大；在葉尖位置由于葉片變形較大，材質變化對葉片流場的影響更大；隨著r/R 的減小，葉片材質對EK的影響相對λ 逐漸變小。

2.3 脈動速度與湍流動能分析

軸向脈動速度u’即軸向速度的標準差，可以表征流場的湍流效應。 平均速度一定時，u’越大，表示流場的混亂程度越大。圖6 為當r/R=1 時，A，B 葉片的u’曲線。

圖6 A，B 葉片的u’（r/R=1）Fig.6 The axial pulsation speed of blade A，B

由圖6 可知： 在實驗工況下，A 葉片的u’大于B 葉片；曲線呈現出先減小，然后較平緩發展，最后再增大的變化趨勢；當λ 為4.5 時，A，B 葉片的u’分別為1.116 和0.759；當λ 為6 時，A，B 葉片的u’分別為0.989 和0.531；當λ 從4.5 增大到6 時，A 葉片的u’ 減小了11.37%，B 葉片的u’減小了30.04%；當λ 為4.5 時，B 葉片的u’比A 葉片小32.00%；當λ 為6 時，B 葉片的u’比A 葉片小46.31%；λ 與葉片材質對繞流流場的u’均有影響，當r/R 為1 時，葉片材質的影響更大；當y/R≥0.21 時，u’ 逐漸增大， 且在葉片后緣上方大幅增加，即后緣的流場更紊亂。u’的增大是由于當來流經過葉片表面時，在后緣發生流動分離，后緣外的流場有旋渦產生，湍流脈動更強。

圖7 為當λ 為4.5 時， 兩副葉片在測試截面的湍流動能THE。

由圖7 可知，A，B 葉片隨著y/R 減小THE 減少，湍流強度降低，流場的紊亂程度降低。 分析其原因： 一是實驗用葉片翼型， 在葉尖位置攻角更大，在后緣處渦旋擴散，流線更加紊亂；二是由于在葉尖位置葉片位移增大，其變形對流場影響更大，越靠近葉根位置影響越小。

圖7 各拍攝截面的湍流動能Fig.7 The turbulent kinetic energy in each shooting section

THE 是衡量湍流發展情況的指標，也可以表征流場脈動情況，平均速度一定時，THE 也可用來衡量湍流強度。 通過對THE 曲線上的1 024 個數據點進行處理，得到的相關數據見表1。

表1 湍流動能數據統計Table 1 Turbulence kinetic energy data statistics

由表1 可知，A 葉片的THE 大于B 葉片，且兩副葉片的THE 均隨著λ 的增大而減小。通過分析可知： 在相同λ 下，A 葉片的THE 平均值較B葉片最多增大37.14%；當λ 從4.5 增大到6 時，A葉片的THE 平均值減小了21.80%，B 葉片的THE 平均值減小了21.47%。 在實驗工況下，葉片材質對湍流動能的影響更大。

3 結論

本文對三葉片水平軸風力機的兩種不同材質的葉片動態繞流流場進行了PIV 實驗研究，分析了葉片吸力面近壁面繞流流場的u/U，EK，u’和THE，得到以下結論。

①在相同λ 下，A 葉片較B 葉片的u/U 減小19.89%以上，EK減小48.07%以上，u’與THE 分別增大32.00%和19.21%以上，A 葉片后方流場的速度虧損較大。

②在額定風速下， 隨著λ 的增大，u/U 和EK分別最多減小52.09%和33.82%，u’ 最多減小30.04%，THE 減小21.47%。因材質變化，A 葉片較B 葉片的u/U 和EK分別減小54.51%和48.07%以上，u’ 增加32.00%以上，THE 最多增加37.14%。實驗工況下，葉片材質對葉片流場造成的影響大于λ 變化造成的影響。