风力机塔架对尾迹特性影响的实验研究

金凯宁，韩玉霞，杨 斌，朱长海

（内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特）

引言

风力发电技术作为一种具有巨大潜力及优势的新能源技术，正日益发展[1]。我国丰富的风能资源，是促进风能开发的有利条件，也标志着风力发电技术应用的广阔前景。因此，大力发展风电对我国经济、环境的可持续发展具有十分重要的意义。

塔架是支撑风力发电机的重要部件，不仅要承担来流的风压，还要承担风轮的工作负荷[2-3]。而由于塔架的阻碍作用引起的前后风速及方向改变即为塔影效应[4-5]。目前，我国风电场最普遍使用的是上风向型水平轴风力机[6]，虽然塔影效应在下风向型风力机相较于上风向型更为显著，但上风向型风力机的塔架问题仍不容忽视，因此国内外学者进行了诸多研究。田仁斌等人[7]采用CFD 方法对上风向型风力机叶片与塔架之间的干涉作用进行了研究，研究发现叶片经过塔架会引起塔架周围流动快速变化，叶片截面载荷也突然改变。杨小川等人[8]通过非定常计算网格策略研究了高尖速比状态下风力机的塔影效应，研究发现越靠近叶片根部，塔架对压力分布影响越显著。

该文将在锁相定位条件下利用PIV 技术对风力机尾迹随尖速比变化的湍流特征进行研究与分析。该研究以期于提高塔架对风力机尾迹影响的认识并为数值模拟研究提供实验数据参考。

1 实验设备及步骤

1.1 实验风洞

本实验在实内蒙古工业大学的风能太阳能利用技术教育部重点实验室B1/K2 直流式风洞闭口段处进行，风洞全长24.59 m，实验段的风速为0～60 m/s，湍流强度Ti≤5‰，横截面为0.92 m2的正方形。

1.2 实验设备

实验所用风力机模型为两叶片NACA 4415 翼型水平轴风力机，叶片长150 mm，塔架为直径30 mm的圆柱体，塔架高度为450 mm，保持风轮中心位于闭口段中心。

PIV 测试技术可以通过流场中示踪粒子的位移间接测量出流场速度并进行分析。每个工况采样3 次取平均值以提高风洞实验的准确性，并且实验均在晚间进行，以降低温度与光线影响。实验设备整体布置见图1。

图1 实验设备布置

1.3 实验方案

本次实验采用相机固定不动，而移动风力机的方案，并且分别采集了不同尖速比（λ=3、4、5）与不同来流风速（U=9 m/s、10 m/s、11 m/s）下的尾迹数据。风力机每300 mm（即1D，1 倍风轮直径）移动1 个轴向位置，实验共移动3 个位置（即x=R、x=3R、x=5R），见图2。为了更为直接地观察塔架对风力机尾迹的影响，采用锁相定位0°方位角方式对上、下两窗口进行拍摄，其中0°方位角定义为叶片垂直于地面时的位置。

图2 风力机轴向移动位置示意

2 实验结果分析

湍流强度分析如下。

2.1 不同风速

湍流强度可以表征流体脉动的强弱，是反映风力机尾迹湍流特征的重要参数之一，可以由式（1）表示

其中U' 为湍流强度涨落标准差，又称脉动速度均方根。提取不同来流风速各位置湍流强度云图，见图3。由图3 可知，三种来流风速条件下塔架都增加了塔架后方尾迹区的湍流强度，并且x=3R 处尾迹附着涡区均有一个较低强度的湍流带随着尾迹发展逐渐向叶尖涡区蔓延，说明塔架的影响随着尾迹发展逐渐降低，并由附着涡区开始。随着来流风速的增加，低强度湍流带在x=3R 处更为明显并且蔓延范围越大，说明风速越高，塔架后方附着涡区尾迹湍流强度恢复越快。

图3 不同来流风速下尾迹湍流强度云图

图4 是图3 的量化分析，是通过截取图3 中不同来流风速条件下不同径向位置湍流强度做成的曲线图。由图4 可知，受塔架的影响，三种来流风速条件下塔架后方尾迹各涡区湍流强度均受到不同程度影响，其中x=R 处叶尖涡区与附着涡区湍流强度显著增加，而中心涡区湍流强度基本不变。随着尾迹发展，轮毂上、下方中心涡区湍流强度分别增加与减小，塔架后方叶尖涡区与附着涡区湍流强度呈下降趋势但整体略高于轮毂上方，说明塔架扰乱了塔架后方尾迹结构，具有一定的掺混作用，但中心涡区较为稳定并且轮毂上方会吸收来自塔架后方的能量。随着风速的增加，至U=11 m/s 时轮毂上方湍流强度显著降低，而塔架后方相较于U=9 m/s 与10 m/s 时无明显变化，说明塔架对于尾迹湍流强度的影响大于风速变化。

图4 不同来流风速下尾迹湍流强度剖面

为进一步探究尾迹涡系间能量传递特性，提取尖速比λ=3，不同来流风速轴向位置为1#、2#、3#处湍动能剖面图，见图5。湍动能是反映尾迹特征的一个重要参数，可由式(2)定义

由图5 可知，塔架后方湍动能明显增加，说明塔架的存在促进了塔架后方流体的径向掺混，能量传递比轮毂上方更为剧烈。随着尾迹发展，轮毂上、下方中心涡区一直存在峰值，说明轮毂上、下方中心涡区存在持续地能量传递。x=3R 与x=5R 处叶尖涡区仍存在峰值但逐渐降低，说明塔架后方尾迹与外部主流之间仍在进行能量传递，但随着尾迹恢复逐渐减弱。

图5 不同来流风速下无量纲化尾迹湍动能剖面

2.2 不同尖速比

图6 为来流风速U=10 m/s 时，尖速比分别为λ=3、4、5 时进行了无量纲化处理的拼接云图。如图12所示，随着尖速比的增加，塔架后方附着涡区低湍流带出现位置明显延后。λ=5 时，x=3R 处低湍流带几乎不可见，并且λ=3 时的低湍流带相较于λ=5 时并无明显蔓延，说明虽然尖速比的降低会促进塔架后方尾迹湍流强度的恢复，但主要影响附着涡区。

图6 不同尖速比下尾迹湍流强度云图

图7 是通过截取图6 中不同尖速比下不同径向位置湍流强度做成的曲线图。由图7 可知，随着尖速比的增加，轮毂上方叶尖涡区与附着涡区湍流强度逐渐降低，其中附着涡区降低最为明显。而在塔架后方，虽然x=R 处叶尖涡区与附着涡区湍流强度均显著升高，但附着涡区湍流强度衰减速率随着尖速比的降低而增加，也说明了尖速比降低会在一定程度上促进塔架后方附着涡区湍流强度的恢复。

图7 不同尖速比下尾迹湍流强度剖面

3 结论

运用PIV 技术对不同来流风速条件下风力机0°方位角尾迹流场进行实验研究，同时拍摄了上、下两窗口尾迹流场，得到以下结论：塔架的影响随着尾迹发展逐渐降低，并由附着涡区开始，塔架后方尾迹与外部主流之间的能量传递也随着尾迹恢复逐渐减弱。同时，塔架扰乱了塔架后方尾迹结构，具有一定的掺混作用。虽然中心涡区湍流较为稳定，但会持续地进行能量传递。风速升高、尖速比降低都会一定程度上促进塔架后方附着涡区湍流强度的恢复。