小型水平軸風機對橋梁主梁尾流控制的試驗研究

張 晗，張洪福

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 水平軸風力發電機模型

為了控制風致振動，本文將小型水平軸風力發電機模型放置在橋梁節段模型上面。風機模型直徑為60 mm，模型的縮尺比為1∶40。每個風力機模型都由一個多葉片轉子組成，該轉子連接到一個小型交流電(AC)發電機，葉片連接在小型交流電發電機上，風力機的重量包括發電機，葉片和支撐桿等，一系列總重量不超過14 g。風機最大能量變換效率體現在葉尖速比最優的情況下，葉尖速比定義公式如下

(1)

式中:ω為旋轉角速度，rad·s-1；R為葉片的半徑，m；V為額定風速，m·s-1；n為風輪轉速，r·min-1。λ一般與葉片數量、葉片翼型、類型有關。本實驗選取的葉片葉尖速比為2～3左右，具有較高的功率系數Cp=0.5左右。

2 風力機尾流特征

本文通過數值模擬探究單個風力機順流向渦的空間形態。由于風機的轉子對模擬結果影響較大，因此只對風機轉子進行數值模擬。

2.1 計算域的選取

計算模型中的風機采用1∶40的縮尺模型，利用ICEM軟件建模，計算域大小如圖2所示。計算域分為內流場和外流場兩部分，內流場為風輪轉動區域，外流場為風輪前面的來流區和風輪后面的尾流區，為靜止區域。計算域整體為矩形形狀，內流場與外流場之間設置Interface面來保證兩個流場之間的計算數據相對流通。整個計算域展向長度為24D(D為風輪直徑)，計算域高度為8D，風機旋轉中心到速度入口的距離為5D，風機旋轉中心到壓力出口的距離為19D。

2.2 網格劃分

網格劃分后的總數量為463萬，對風機和內流場采用局部加密的方式，風力機表面網格數量為1.6萬。網格質量最小為0.225，最大為1，總體質量較好。流域網格采用混合網格形式，內流場由于風機葉片旋轉角度較為復雜采用非結構化網格形式，外流場為結構化網格。

2.3 邊界條件設置與求解策略

本文采用分離求解器基于壓力型進行求解，求解類型為瞬態。基于風力機流場的湍流特性，選擇SSTk-w湍流模型；計算域條件設置內流場旋轉為滑移網格。邊界條件中，外流場入口速度為7 m·s-1，風機設置為Moving Wall，與內流場旋轉域同步旋轉，轉速均為523.8 r·s-1且無滑移。求解方法選擇壓力速度耦合算法SIMPLE算法；為提高計算準確性，采用二階迎風格式。對于殘差收斂設定為10-5，時間步長為0.000 1 s，監控風機的升力系數、阻力系數和力矩系數的變化，選擇初始化之后，進行迭代計算。

2.4 數值模擬結果

風力機在來流風作用下旋轉會產生大尺度的順流向渦，該順流向渦以螺旋狀向下游漂移，多個文獻表明該類型渦結構可抑制展向渦的形成與發展，從而抑制結構的渦激振動。

3 橋梁節段模型風洞試驗參數簡介

本次風洞試驗在哈爾濱工業大學浪槽與風洞聯合實驗室內進行，實驗室是一座閉口回流式風洞，由兩個試驗段組成。本次風洞試驗均是在小風洞實驗段完成，實驗風速范圍從3～50 m·s-1，為連續可調。該矩形工作試驗段寬4 m，高3 m，長25 m。在試驗過程中，自由流的湍流強度小于0.46%，自由流的不均勻度小于1%，平均氣流偏角小于0.5°。

4 尾流試驗結果與分析

尾流區的漩渦脫落是引起橋梁渦激振動的主要原因，因此研究尾流區的速度變化有著重要的意義。本次實驗分別以裸梁和成橋狀態下增設欄桿作為基礎工況進行對比。實驗中的風速均采用折減風速U/fB，這里U為來流風速，f為模型的振動頻率，B為模型寬度。風力機通過交錯布置放置在橋梁節段模型上。其中h是小型風力機的高度，L是風力機展向的間距。風力機沿展向方向間隔為2H、3H(H為橋梁模型的高度，H=0.1m)，旋轉軸的高度分別為h/H=0.28、0.38。

選取風力機旋轉軸高度為h/H=0.28，展向間隔為3H的實驗工況研究尾流風速的變化。為了與模型懸掛狀態下的尾流數據進行對比，本次實驗選取彈簧懸掛系統狀態下的折減風速為U/fvB=1.328和U/fαB=1.430。監測點所用儀器為熱線風速儀和二維熱線探頭，采樣頻率為1 000 Hz。針對以上兩種風速，分別對橋梁節段模型順風向(U)進行監測分析。

無控和安裝小型水平軸風力發電機模型的狀態下監測點位置圖。監測點分布在直線z/H=0以及z/H=1.5，y/H=0，這里z/H=0，y/H=0對應安裝的風機模型的位置，z/H=1.5，y/H=0對應兩個風力機模型的中間位置。沿著x方向上共有六個監測點x=4H、8H、12H、16H、20H、24H。y軸為無量綱順流向脈動風速為u′/U0，u′為順流向脈動風速，U0為來流風速。

無控狀態下和有控狀態尾流區順流向脈動風速值隨著順流向距離的增大而逐漸衰減，展向渦能量逐漸耗散。豎向渦振情況，在近尾流區無控要比有控的脈動風速值低；在有控的工況下，順流向風速脈動值要衰減的快，遠尾流區有控比無控狀態下脈動風速值低，說明在有風機的情況下旋轉產生的順流向渦能夠抑制展向渦的形成與脫落，加快順流向脈動風速值的降低。扭轉渦振情況，在近尾流區有控和無控相比，順流向脈動風速值要偏低，在遠尾流區有控和無控順流向脈動風速值相差不是太大。

尾流測試結果：功率譜密度

功率譜可以反映主梁漩渦脫落的頻率與強度。一般而言，橋梁旋渦脫落若能夠被抑制，則渦激共振現象也可被抑制。本文中，選取尾流區監測位置位于直線z/H=0和z/H=1.5，y/H=0，x/H=20上，展向間距為3H，旋轉軸高度為h/H=0.28的風機布置在橋梁節段模型的迎風端和背風端。

無控狀態時，在折減風速U/fvB=1.328處出現強烈的豎向渦激共振，展向渦能量非常大。在折減風速U/fαB=1.430出現強烈的扭轉渦激共振。當布置小型水平軸風力發電機時，峰值能夠完全消失，表明安裝小型水平軸風力發電機對橋梁節段模型渦激共振有明顯的控制效果。

5 結 論

水平軸風力機是一種有效收集風能的裝置，其葉片旋轉可以產生順流向渦結構。主梁展向渦是導致渦振產生的主要原因，本文采以多葉片水平軸風力機為研究對象，采用節段模型風洞試驗探究了風力機尾渦對典型大跨橋梁主梁展向渦的抑制作用，采用數值模擬觀察了風力機尾流形態。數值模擬結果表明，風力機的尾流為順流向螺旋狀渦結構。試驗結果表明在豎向渦振發生風速范圍內，近尾流區受葉片旋轉影響，風力機增加了風速的脈動，但在遠尾流區降低了風速脈動；在扭轉渦振發生范圍內，遠近尾流區的脈動均被減小；風速頻譜分析結果表明風力機可以有效抑制主梁周期性渦脫，從而減弱渦激振動。