水平轴风力机尾迹流场掺混流动的实验研究

东雪青 ， 刘 钊 ， 汪建文 ，章书成

（1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051）

水平轴风力机尾迹流场掺混流动的实验研究

东雪青1，2， 刘 钊1， 汪建文1，2，章书成1，2

（1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051）

为研究风力机尾迹的流动状态以及掺混规律，在水平轴风力机模型不同尖速比、不同风速的条件下，利用高频PIV系统对风力机下游远至4.5倍风轮直径范围内的尾流数据进行采集。首先对轴向平均速度云图和曲线图进行分析，发现尾迹流场与外部主流区的掺混现象；对比尖速比为4和6，相对半径为0.1R处的平均轴向速度曲线图，发现随着尖速比的增加，尾迹区域的轴向速度恢复的更快，掺混现象更加严重。然后观察径向平均速度云图，发现风轮后方的流体在径向方向的运动规律是外部主流区的流体通过叶尖涡诱导效应区的输运和卷吸作用下持续进入尾迹区域，并与之掺混。最后通过对比不同相对半径处的径向曲线图，得到尾迹流场的状态：先节流降压膨胀，然后压力恢复尾迹收缩；随着外部高压流体的的持续流入，尾迹再次膨胀，直至恢复到来流状态。

高频PIV；尾流；尾迹掺混；输运作用

0 引 言

风能是一种可再生能源，对环境无污染，在全球许多地域的储存量巨大，用之不竭，当今风力发电已成为新能源技术中最成熟、最具商业化价值、最有经济性的发电方式之一[1-3]。2014年全球风电一扫2013年全球市场的低靡景象，年新增装机容量51.47 GW，创历史新高突破50 GW大关，年增长率达44%，全球风电进入高水平发展时期[4]，在国家的高度重视下，我国风力机技术的研究也取得了较大的发展，其中在空气动力学、结构动力学、材料力学以及微气象学等领域获得了显著的进步[5]。

气流通过旋转的风轮时产生动量损失，会在风轮转子下游形成风速下降的局部粘性区域，该区域被称为尾迹[6]。由于风轮吸收了部分风能，因此风力机后风速会有一定程度的减小，但由于与外部气流的掺混下风速会逐渐恢复到来流风速[7]。而这一掺混过程以及速度恢复的快慢与叶片的几何尺寸和形状、翼型以及轴向距离等因素有关。风力机尾流之间的相互作用是风电场功率损失的一个重要来源[8]。风速减小会使下游风力机的输出功率减少，尾迹附加的强湍流会影响下游风力机的疲劳载荷、使用寿命和结构性能[9]。因此，加快尾流与外部流场的掺混进而加快尾流的恢复，能够减少对下游风力机的不利影响，进而提高风电场的整体效益，具有重要意义。

国内外对于风力机尾迹是如何与外部流场进行掺混进而恢复来流状态的研究几乎没有。大部分的学者主要关注的是通过改变一些外部条件，比如风力机在风场中的布局或者改变风力机的一些参数，比如尖速比，偏航角等措施来加快尾流的恢复，降低尾流效应带来的损失。西班牙的Gonzalez等[10]提出通过选择每台风力机的最佳桨距角和最佳叶尖速比的方法来优化尾流效应，提高风电场发电能力。挪威的Adaramola等[11]通过对尾流效应对风力机性能的影响进行了实验研究发现，下游风力机的最大功率系数的减小取决于风力机之间的距离和上游风力机的操作条件。上海的胡丹梅等[12]采用CFD商业软件，对两台风力机采取不同的安装间距进行模拟，拟找出不同排列方式下风力机之间的最佳距离，降低风电场中尾流效应对风力机之间的相互影响。新疆大学的高填[13]采用三维软件UG研究了单台风力机的尾流状态和多台风力机两种优化布置方案的互扰状况。

本文利用二维高频粒子图像测速法（PIV）对小型风力机全尾迹流场进行风洞测试，寻找尾迹与外部流场的掺混规律和尾迹的流动状态，以及不同工况对尾迹掺混的影响，进而为日后通过采用更加主动简便的方法来加快尾流的恢复提供理论基础。

1 实验设备及方案

1.1 实验风洞

本实验在内蒙古工业大学的B1/K2低速风洞闭口段进行。闭口实验段：长度2.5m，横截面为0.92m×0.92m的正方形，最大风速可达60m/s，实验段湍流度 ε≤5‰。

1.2 风力机模型

该风力机模型为双叶片型水平轴风力机，以NACA4415翼型为原型，设计半径与实际半径比例选为1∶5，风力机模型旋转半径为150mm，塔架高度为450mm。风力机模型如图1所示。

图1 风力机模型

1.3 高频PIV系统

本次实验采用二维高频PIV系统进行测试，采用ND:YLF LDY 300高重复率激光器，最大输出功率为150W，脉宽为100 ns；型号为HighSpeedStar 8的高灵敏度、兆像素分辨率数码相机。采样频率最高为10kHz（该频率是在保证大部分的粒子都能被激光照亮的情况下，选取的最大采样频率，为了保证数据分析的合理和简便，取整数），如图2所示。

图2 高频PIV系统

1.4 实验方案

实验系统的整体布置如图3所示。为了拍摄全尾迹流场，考虑到实际条件的限制及闭口实验段空气流动比较稳定，整个闭口段的风速基本上是一致的，所以采用固定相机，而移动风力机组的方案。如图4所示，每隔150mm移动一个轴向位置，一共移动1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#这 9 个轴向位置，即拍摄 9 个窗口，如图4所示。拍摄窗口尺寸为200mm×200mm，重叠域宽为50mm。

图3 实验布置图

图4 风力机移动轴向图（单位：mm）

定义经过叶尖前缘点与风轮旋转中心线并且垂直于水平面为0°方位面。固定风力机偏航角为0°，选定的来流风速为10m/s，尖速比λ（风轮叶片尖端线速度与来流风速之比）为4，5，6。考虑到拍摄效果最佳，采样频率定为1000Hz，为满足紊流流动时均流场各物理量的稳定性，拍摄样本数定为1 000张，每一工况采集3次（可以进行对比，提高采集的准确性）。

2 实验结果分析

为了直观分析尾迹流场整体的速度场结构特征，首先对9个窗口的轴向和径向速度场云图进行平均以保证每个窗口的数据具有同一性，然后利用Tecpolt软件把每个窗口的云图进行数据拼接。图5～图11是风速V=10 m/s，尖速比λ=4、λ=6的轴向方向和径向方向的平均速度云图，以及从云图中截取的不同半径处的平均速度的数据，用Origin画出平均速度曲线图。Y代表风轮径向距离，X代表风轮后方轴向距离。

图5和图6表征的是风速V=10m/s，尖速比λ=4和λ=6的轴向方向平均速度云图，这是将每一窗口拍摄的1000张速度云图做平均，然后按照每一窗口对应位置进行拼接（由于对1 000张速度云图做了时间平均，导致每两张图之间速度会出现不连续的现象，因此出现速度的“跳跃”）。图中包含了风力机尾迹中轴向速度衰减和恢复的全过程。观察图5，可以发现几乎在所有区域内靠近叶根处尾迹的轴向速度最低，沿径向逐渐增大，并且流速有分层现象，风通过风轮后，速度先缓慢降低，然后随着轴向距离的增加，外部主流区的流体与风力机尾迹掺混使得轴向迹速度逐渐恢复。对比图5、图6可以看出随着尖速比的增加，中央尾迹区的轴向速度恢复得更快，λ=6时的尾迹流场掺混更严重。

图5 V=10m/s，λ=4轴向平均速度云图

图6 V=10m/s，λ=6轴向平均速度云图

图7 V=10m/s，λ=4、6轴向平均速度曲线图

图8 V=10m/s，不同尖速比下0.1R半径处的轴向平均速度曲线图

图7 是图5和图6的量化分析，是将图5和图6中数据按不同相对半径沿轴向抽取数据。λ=4和λ=6，在风轮后方靠近风轮处轴向速度的变化趋势是十分相似的，首先由于节流膨胀的作用，风通过风轮在后方出现轴向速度减小现象，但在膨胀过程中在叶片后方受到发电机的影响，轴向速度稍有回升；紧接着风力机尾迹的轴向速度回升，这与尾迹被周围流体压缩有关；然后随着尾迹向后发展，由于尾流周围外部主流区的逐渐掺混，使得轴向速度得以慢慢恢复。从图8可以看出，在同一相对半径处，随着尾迹向下游的发展，λ=6的平均轴向速度显然要比λ=4大。再次说明，随着尖速比的增加，外部主流区的高压流体与尾迹内的低压流体掺混加剧，尾迹区内的轴向速度恢复更快。

图9和图10显示的是风速V=10m/s，尖速比λ=4、λ=6时的径向平均速度云图，此图更加直观地说明尾迹区流场与外部主流区流体的掺混趋势。与轴向速度相比，径向速度要小很多，几乎都是负值。说明在风轮后方流体沿径向的流动方向是从外部主流区向中心尾迹区流动。

图9 V=10m/s，λ=4径向平均速度云图

图10 V=10m/s，λ=6径向平均速度云图

图11 是风速V=10m/s尖速比λ=4和λ=6径向平均速度曲线图，此图也是将图9和图10中数据按不同相对半径沿轴向抽取数据，对径向速度进行量化分析。相对半径为0.1R，0.4R，0.7R处沿轴向距离的径向速度曲线规律基本相似。首先，风通过风轮在风轮后由于节流膨胀作用压力急速下降，尾迹开始膨胀，径向速度为正值（速度的方向向上），但随着尾迹向下游发展，膨胀的速度越来越慢 （速度逐渐减小，由于电机的阻碍）越靠近中心节流作用越明显，由图11可知，0.1R处径向速度最大，0.9R处径向速度最小。其中，在120mm附近，0.1R和0.4R位置的径向速度出现了急剧大幅反向增加的情形，这是由于这两个位置位于发电机后端面附近，沿着发电机壳体流动的来流在此位置向下绕流。随轴向距离的增加，外部主流区的高压流体的逐渐掺混使得径向速度由负值逐渐趋近于零即Vy=0，尾迹收缩结束；然后径向速度由Vy=0逐渐增加，外部主流区流体掺混引起尾迹区流场压力回升直至测试4.5倍风轮直径处。

图11 V=10m/s，λ=4、6径向平均速度曲线图

相对半径0.9R处径向速度在风轮后方降到负值后，沿轴向一直维持负值。证明外部空气在该位置处持续流入，由此可以得出，相对半径为0.9R位置所处的叶尖涡诱导效应区具有将外部主流区的空气输运进入中央尾迹区域的能力；在相对半径为0.1R～0.7R位置处，尾迹向下游发展的过程中径向速度先逐渐减小，随着叶尖涡诱导效应区输运作用的积累，进入尾迹中央区域的外部高压流体越来越多，并与尾迹内的流体掺混，促使尾迹内压力继续升高，尾迹开始收缩，径向速度随之增大，并在远尾迹变为正值。

经过以上分析，风轮和电机的节流膨胀作用使毗邻风轮后方的尾迹膨胀，压力突然降低；然后，在外部主流区高压流体的掺混下，尾迹流场内压力逐渐恢复，尾迹逐渐收缩。随着尾迹继续向下游发展，在叶尖涡诱导效应区的输运作用下，外部主流区的空气持续进入尾迹中央区域，从而使此区域内的空气压力继续升高，最终与外部主流区融合。

3 结束语

1）尾迹流场与外部主流区流场掺混的过程中，随着尖速比的增加，尾迹区轴向速度恢复的更快；随着轴向距离的增加，尾迹区径向速度呈先减小后增大然后又减小的趋势。

2）在径向方向上，流体的运动状态是：外部主流区的流体通过位于叶尖附近的叶尖涡诱导效应区（输运作用）逐渐流入尾流区域，并与之掺混。

3）风轮后方尾迹流场的状态是：先节流降压膨胀；然后压力恢复尾迹收缩；随着外部主流区的高压流体持续进入中央尾迹区，尾迹再次膨胀，最终与外部流体逐渐融合。

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（编辑：刘杨）

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

国家自然科学基金项目（51366010）；风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室开放基金项目（201504）

东雪青（1972-），男，副教授，博士，主要从事风力机尾迹流场方向的研究。