風力機塔架對尾跡特性影響的實驗研究

金凱寧，韓玉霞，楊 斌，朱長海

（內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特）

引言

風力發電技術作為一種具有巨大潛力及優勢的新能源技術，正日益發展[1]。我國豐富的風能資源，是促進風能開發的有利條件，也標志著風力發電技術應用的廣闊前景。因此，大力發展風電對我國經濟、環境的可持續發展具有十分重要的意義。

塔架是支撐風力發電機的重要部件，不僅要承擔來流的風壓，還要承擔風輪的工作負荷[2-3]。而由于塔架的阻礙作用引起的前后風速及方向改變即為塔影效應[4-5]。目前，我國風電場最普遍使用的是上風向型水平軸風力機[6]，雖然塔影效應在下風向型風力機相較于上風向型更為顯著，但上風向型風力機的塔架問題仍不容忽視，因此國內外學者進行了諸多研究。田仁斌等人[7]采用CFD 方法對上風向型風力機葉片與塔架之間的干涉作用進行了研究，研究發現葉片經過塔架會引起塔架周圍流動快速變化，葉片截面載荷也突然改變。楊小川等人[8]通過非定常計算網格策略研究了高尖速比狀態下風力機的塔影效應，研究發現越靠近葉片根部，塔架對壓力分布影響越顯著。

該文將在鎖相定位條件下利用PIV 技術對風力機尾跡隨尖速比變化的湍流特征進行研究與分析。該研究以期于提高塔架對風力機尾跡影響的認識并為數值模擬研究提供實驗數據參考。

1 實驗設備及步驟

1.1 實驗風洞

本實驗在實內蒙古工業大學的風能太陽能利用技術教育部重點實驗室B1/K2 直流式風洞閉口段處進行，風洞全長24.59 m，實驗段的風速為0～60 m/s，湍流強度Ti≤5‰，橫截面為0.92 m2的正方形。

1.2 實驗設備

實驗所用風力機模型為兩葉片NACA 4415 翼型水平軸風力機，葉片長150 mm，塔架為直徑30 mm的圓柱體，塔架高度為450 mm，保持風輪中心位于閉口段中心。

PIV 測試技術可以通過流場中示蹤粒子的位移間接測量出流場速度并進行分析。每個工況采樣3 次取平均值以提高風洞實驗的準確性，并且實驗均在晚間進行，以降低溫度與光線影響。實驗設備整體布置見圖1。

圖1 實驗設備布置

1.3 實驗方案

本次實驗采用相機固定不動，而移動風力機的方案，并且分別采集了不同尖速比（λ=3、4、5）與不同來流風速（U=9 m/s、10 m/s、11 m/s）下的尾跡數據。風力機每300 mm（即1D，1 倍風輪直徑）移動1 個軸向位置，實驗共移動3 個位置（即x=R、x=3R、x=5R），見圖2。為了更為直接地觀察塔架對風力機尾跡的影響，采用鎖相定位0°方位角方式對上、下兩窗口進行拍攝，其中0°方位角定義為葉片垂直于地面時的位置。

圖2 風力機軸向移動位置示意

2 實驗結果分析

湍流強度分析如下。

2.1 不同風速

湍流強度可以表征流體脈動的強弱，是反映風力機尾跡湍流特征的重要參數之一，可以由式（1）表示

其中U' 為湍流強度漲落標準差，又稱脈動速度均方根。提取不同來流風速各位置湍流強度云圖，見圖3。由圖3 可知，三種來流風速條件下塔架都增加了塔架后方尾跡區的湍流強度，并且x=3R 處尾跡附著渦區均有一個較低強度的湍流帶隨著尾跡發展逐漸向葉尖渦區蔓延，說明塔架的影響隨著尾跡發展逐漸降低，并由附著渦區開始。隨著來流風速的增加，低強度湍流帶在x=3R 處更為明顯并且蔓延范圍越大，說明風速越高，塔架后方附著渦區尾跡湍流強度恢復越快。

圖3 不同來流風速下尾跡湍流強度云圖

圖4 是圖3 的量化分析，是通過截取圖3 中不同來流風速條件下不同徑向位置湍流強度做成的曲線圖。由圖4 可知，受塔架的影響，三種來流風速條件下塔架后方尾跡各渦區湍流強度均受到不同程度影響，其中x=R 處葉尖渦區與附著渦區湍流強度顯著增加，而中心渦區湍流強度基本不變。隨著尾跡發展，輪轂上、下方中心渦區湍流強度分別增加與減小，塔架后方葉尖渦區與附著渦區湍流強度呈下降趨勢但整體略高于輪轂上方，說明塔架擾亂了塔架后方尾跡結構，具有一定的摻混作用，但中心渦區較為穩定并且輪轂上方會吸收來自塔架后方的能量。隨著風速的增加，至U=11 m/s 時輪轂上方湍流強度顯著降低，而塔架后方相較于U=9 m/s 與10 m/s 時無明顯變化，說明塔架對于尾跡湍流強度的影響大于風速變化。

圖4 不同來流風速下尾跡湍流強度剖面

為進一步探究尾跡渦系間能量傳遞特性，提取尖速比λ=3，不同來流風速軸向位置為1#、2#、3#處湍動能剖面圖，見圖5。湍動能是反映尾跡特征的一個重要參數，可由式(2)定義

由圖5 可知，塔架后方湍動能明顯增加，說明塔架的存在促進了塔架后方流體的徑向摻混，能量傳遞比輪轂上方更為劇烈。隨著尾跡發展，輪轂上、下方中心渦區一直存在峰值，說明輪轂上、下方中心渦區存在持續地能量傳遞。x=3R 與x=5R 處葉尖渦區仍存在峰值但逐漸降低，說明塔架后方尾跡與外部主流之間仍在進行能量傳遞，但隨著尾跡恢復逐漸減弱。

圖5 不同來流風速下無量綱化尾跡湍動能剖面

2.2 不同尖速比

圖6 為來流風速U=10 m/s 時，尖速比分別為λ=3、4、5 時進行了無量綱化處理的拼接云圖。如圖12所示，隨著尖速比的增加，塔架后方附著渦區低湍流帶出現位置明顯延后。λ=5 時，x=3R 處低湍流帶幾乎不可見，并且λ=3 時的低湍流帶相較于λ=5 時并無明顯蔓延，說明雖然尖速比的降低會促進塔架后方尾跡湍流強度的恢復，但主要影響附著渦區。

圖6 不同尖速比下尾跡湍流強度云圖

圖7 是通過截取圖6 中不同尖速比下不同徑向位置湍流強度做成的曲線圖。由圖7 可知，隨著尖速比的增加，輪轂上方葉尖渦區與附著渦區湍流強度逐漸降低，其中附著渦區降低最為明顯。而在塔架后方，雖然x=R 處葉尖渦區與附著渦區湍流強度均顯著升高，但附著渦區湍流強度衰減速率隨著尖速比的降低而增加，也說明了尖速比降低會在一定程度上促進塔架后方附著渦區湍流強度的恢復。

圖7 不同尖速比下尾跡湍流強度剖面

3 結論

運用PIV 技術對不同來流風速條件下風力機0°方位角尾跡流場進行實驗研究，同時拍攝了上、下兩窗口尾跡流場，得到以下結論：塔架的影響隨著尾跡發展逐漸降低，并由附著渦區開始，塔架后方尾跡與外部主流之間的能量傳遞也隨著尾跡恢復逐漸減弱。同時，塔架擾亂了塔架后方尾跡結構，具有一定的摻混作用。雖然中心渦區湍流較為穩定，但會持續地進行能量傳遞。風速升高、尖速比降低都會一定程度上促進塔架后方附著渦區湍流強度的恢復。