风力机尾流场的实验研究_杨瑞

各测量点的压力值和速度值。在测量过程中利用蓄电
池作为风力机的 量 的 数 据 量，因 此 只 对 风 力 机 尾
流场中心轴的一侧进行测 量。 测 量 次 数 为 两 次，对 测 量
数据取平均值从而得到速度场和压力场分布。随后对
无风力机的 情 况 进 行 测 量，同 样 得 到 尾 流 场 ３ Ｄ、５ Ｄ、
之后呈递增趋势。诱 导 速 度 呈 递 减 趋 势 主 要 是 随 着 测
图２ 无风力机时不同间距的测量值
量间距的增大，尾流场中心处 的 低 速 度 区 的 速 度 逐 渐 恢
对 有 风 力 机 情 况 的 尾 流 场 进 行 分 析 时 ，同 样 选 择 －６０°、０°、６０°三 个 角 度 的 测 量 值 进 行 分 析 。 从 图 ３ 可 知 ，在 同 一 测 量 断 面 处 ，风 速 随 着 半 径 的 增 加 先 增 加 后 逐渐 递 减 ，这 主 要 是 由 于 风 力 机 的 旋 转 作 用 ，使 得 在 尾
小。在测量过程中可以发现，在 靠 近 测 量 中 心 处 的 读 数
比 较 稳 定 ，但 在 边 缘 的 测 量 点 处 ，仪 器 的 读 数 跳 动 较 大 。
图３ 有风力机时不同间距的测量值 该测量点的无风力机情况下的速度小于有风力机时的
速度。这主要是由于 风 力 机 的 旋 转 作 用 和 叶 尖 涡 脱 落
下降趋势，而对于不同截面，同一角度的诱导速度曲线会相互交叉 。
关 键 词 ：风 力 机 ；实 验 研 究 ；速 度 场 ；压 力 场 ；诱 导 速 度 场
中 图 分 类 号 ：ＴＫ８３
文 献 标 志 码 ：Ａ
引 言
风力机是将自然界的风能转化为机械能并获得电 能的装置［１］，当风经过 风 力 机 后 流 场 的 变 化 很 大 。 尾 流 区的发展主要为近尾流区和 远 尾 流 区 ，近 尾 流 区 的 研 究 主要是功率提取的物理过程 和 风 机 性 能 ，而 远 尾 流 区 的 研 究 重 点 是 尾 流 模 型、地 形 影 响、湍 流 模 型 的 恰 当 选 取 。 ［２］
文 章 编 号 ：１６７３－１５４９（２０１４）０２－００２３－０５
ＤＯＩ：１０．１１８６３／ｊ．ｓｕｓｅ．２０１４．０２．０５
风力机尾流场的实验研究
杨 瑞１，２，夏巍巍２，张昇龙２，王久鑫２
（１．甘肃省风力机工程技术研究中心，兰州 ７３００５０；２．兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 ７３００５０）
第 ２７ 卷 第 ２ 期 ２０１４ 年 ４ 月
四 川 理 工 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１４
由于风力机的尾流场是 沿 塔 架 两 侧 对 称 的 ，可 以 简 化测量一侧的尾流场信息，测 量 范 围 的 选 取 主 要 是 根 据 Ｊｅｎｓｏｎ公式 ： ［７］
槡 ｒ ＝ｒ风 轮
１－ａ １－２ａ
（１）
式中ａ 为轴向诱导因子。根据贝茨极限的最大风能利
用系 数 为 ０．５９３ 时 ａ ＝１／３［８］可 知，当 风 轮 的 半 径 为
复。而诱导速度呈递 增 趋 势 主 要 是 由 于 风 力 机 的 旋 转 作用，在近尾 场 的 远 离 测 量 中 心 处 出 现 了 高 速 度 区 域， 使得靠近风力机处的诱导速度低于由于速度恢复的远 尾流场处的诱导速度。
摘 要：为了获得风力机的尾流场信息，同时为大 型 风 力 机 的 尾 流 场 研 究 提 供 参 考 依 据，利 用 轴 流
式风机提供来流风速，使用皮托管和手持风速仪对无风 力 机 情 况 和 单 个 小 型 风 力 机 的 尾 流 场 进 行 测 量 ，
获得尾流区域的速度场、压力场以 及 诱 导 速 度 场 的 分 布 规 律。 结 果 表 明：对 于 无 风 力 机 的 情 况，在 同 一
８Ｄ处平均的压力场和速度 场 分 布。 最 后 对 两 种 测 量 情 况 的 数 据 进 行 处 理 ，得 到 诱 导 速 度 场 分 布 。
３．２ 数据整理
对无风力机和有风力机两种情况的压力场和速度
场进行测量后，对 同 一 测 量 点 的 速 度 值 取 差 值，得 到 在
该测量点的诱导速度。在测 量 过 程 中 可 以 知 道，由 于 测
量和仪器 的 误 差，并 不 能 保 证 来 流 风 速 保 持 在 恒 定 的
图１ 测量点示意图
１２．５ ｍ／ｓ，但 基 本 满 足 实 验 要 求 。
２ 实验准备
４ 测量结果对比
２．１ 实验仪器 实验中所 用 到 的 风 力 机 是 １００ Ｗ 的 风 力 机 模 型。
风轮直径为１．０７ ｍ，启 动 风 速 为 ３．５ ｍ／ｓ，额 定 风 速 为
铁架 蓄电池 控制器
表１ 实验设备
型号／测量范围 数量
精 度
＜４０ｋＷ ＡＶＭ－０７
ＭＰ１２０Ｓ
１台 １台 １台
±３％ ±０．１ｄｇｔｓ ±０．５％± ０．３ｍ／ｓ
９０２０ ９０２０ 直 径 为 １．３７ 长 度 为 ３ｍ 高 度 为 ２ｍ
１台 １台 １个 １根 ２个
±２％ ±１％
１个
１台
上半圆，这主要是由于地面粗 糙 度 和 塔 架 对 下 半 圆 尾 流
场的影响较大，当 测 量 角 度 为 ０°时，地 面 粗 糙 度 和 回 流
对测量点处 的 影 响 很 小，因 此 速 度 和 压 力 达 到 最 大 值。
在不同测量断 面 处，随 着 测 量 间 距 的 增 大，速 度 逐 渐 减
使得在远离测量中心处出现了高速度区域。对不同截
面同一角度的诱导速度对比 分 析 可 以 发 现 ，诱 导 速 度 曲
线出现了交叉点。随着测量 间 距 的 增 加，在 交 叉 点 前 诱
导速度呈减 小 趋 势 而 在 交 叉 后 呈 增 大 的 趋 势。 如 图 ５
所示，当测量角度 为 ０°时，在 测 量 点 ４ 之 前 随 着 测 量 间 距的增大诱导速度呈递减趋 势，即 在 测 量 断 面 为 ３Ｄ 处 的诱导速度大于５Ｄ、８Ｄ 处的诱导速度。而在测量 点 ４
０．５３５ｍ 时，远尾 流 区 的 半 径 约 为 ０．７５６ ｍ。 但 由 于 该
模型是简化的 理 论 模 型，只 能 作 为 参 考 依 据，同 时 为 了
１２．５ ｍ／ｓ，塔 架 高 度 为 １．５ ｍ，所 用 仪 器 见 表 １。
设备名称
变频器 手持风速仪 精密型压差风速仪
电流表 电压表 测量板 皮托管
本文主要是利用皮托管和风速仪对单个小型风力 机的尾流 场 进 行 测 量，获 得 远 尾 流 场 的 速 度 和 压 力 信 息，为大型风 力 机 的 尾 流 场 研 究 提 供 参 考 依 据，同 时 为 多机阵列的尾流干扰实验提供实验对比。
收 稿 日 期 ：２０１３－１１－０１ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （１１１６２００９）；教 育 部 博 士 点 基 金 项 目 （１１０６ＺＢＡ００４） 作者简介：杨 瑞（１９７０－），男，河南夏邑人，副教授，博士，主要从事风力机尾流方面的研究，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｘ８１１０９７３９５＠１６３．ｃｏｍ
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一测量断面 处，风 速 随 着 测 量 半 径 的 增 加 而 逐 渐 减 小，
这主要由于实验所用的是轴流式风机。而对不同测量
角度情况下的速度值和压力 值 对 比 可 以 发 现 ，在 靠 近 测
量中心处的测量值相差不大，但 随 着 半 径 的 增 加 差 异 逐
渐增大。测量断面下 半 圆 的 速 度 值 和 压 力 值 明 显 小 于
２．２ 实验场地 考虑到室外环境自然风和天气因素对实验结果的
影 响 ，选 用 封 闭 的 室 内 环 境 。
３ 实验步骤和数据整理
对外界大气的速度场进行比 较 研 究，应 尽 量 取 较 大 的 测 量范围。最 终 选 取 的 测 量 半 径 是 １．３ ｍ，平 均 分 为 １０ 段，每 段 为 ０．１３ ｍ。 分 别 选 取 在 －９０°、－６０°、－４５°、 －３０°、０°、３０°、４５°、６０°、９０°九 个 角 度 进 行 测 量。 测 量 范 围和测量点的布置如图１所示。
３．１ 实验步骤 首先，确定 轴 流 式 风 机 的 位 置。 并 列 布 置 后，在 风
机后的２ ｍ 处固定风力机，使得风机的中心高度和风力 机一致，即都为 １．５ ｍ。 然 后 在 ３Ｄ、５Ｄ、８Ｄ 处 放 置 测 量板，在保 证 来 流 风 速 近 似 为 风 力 机 的 额 定 风 速 １２．５ ｍ／ｓ时，利用手持风速仪 和 精 密 型 压 差 风 速 仪 分 别 测 量
测量断面处的风速随着半径的增加而逐渐减小 ；对于有 风 力 机 时，在 同 一 测 量 断 面 处 的 风 速 随 着 测 量 半
径的增加先增加后逐渐减小；对于不 同 测 量 断 面，随 着 测 量 间 距 的 增 加，在 同 一 角 度 的 速 度 值 的 变 化 趋
势逐渐变小。通过尾流的诱导速度曲 线 可 以 发 现，在 同 一 测 量 断 面 处 的 诱 导 速 度 随 测 量 半 径 的 增 加 呈
流 模 型 ，数 值 模 拟 了 不 同 风 速 下 风 力 机 风 轮 的 流 动 特 性 ；张 玉 良 等［４］（２００７）利 用 大 涡 模 拟 对 定 桨 距 风 力 机 进行三维绕 流 场 进 行 数 值 预 测。还 有 一 类 是 实 验 研 究 ，主 要 的 方 法 有 风 洞 实 验 和 外 场 实 验 。 风 洞 实 验 主 要 是 针 对 缩 比 的 大 型 风 力 机 ，利 用 热 线 风 速 仪 或 者 ＰＩＶ 技 术 获 得 尾 流 区 域 的 速 度 场 和 压 力 场 分 布 。 如 ，胡 丹 梅 等 利 ［５］ 用 ＰＩＶ 技 术 对 单 个 风 力 机 的 尾 流 场 的 速 度 场 进 行 测 量 ，主 要 针 对 近 尾 流 场 区 域 ；郭 静 婷 对 ［６］ 不 同 间 距 的 风 力 机 的 尾 流 特 性 进 行 实 验 研 究 ，得 出 了 速 度 场 和涡量分布。外 场 实 验 研 究 由 于 受 到 实 验 环 境 的 影 响 ，主 要 针 对 的 是 中 小 型 风 力 机 ，测 得 尾 流 场 的 相 关 信 息 ，然 后 利 用 相 似 理 论 对 大 型 风 力 机 的 尾 流 场 进 行 研 究。
将实验数据进行对比分 析 可 以 发 现，对 于 无 风 力 机 情况 的 尾 流 场，由 于 测 量 点 的 数 量 过 多，只 选 取 －６０°、 ０°、６０°三个角 度 的 测 量 值 进 行 分 析。 从 图 ２ 可 知，在 同
第２７卷第２期 杨 瑞等：风力机尾流场的实验研究
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四川理工学院学报（自然科学版） ２０１４年４月
１ 实验原理
将一台风 力 机 布 置 在 三 台 ７．５ｋＷ 的 轴 流 式 风 机 前，分别测量每台风力机后３Ｄ、５Ｄ、８Ｄ 三 个 截 面 的 压 力场和速度场 等 参 数，根 据 不 同 测 量 截 面 的 速 度 场、压 力 场 、诱 导 速 度 的 变 化 ，得 出 风 力 机 尾 流 场 的 变 化 规 律 。
现有的研究大致可以分为三类。一类是对风力机 尾 流 模 型 的 理 论 研 究 ，通 过 建 立 简 化 的 尾 流 模 型 对 风 力 机 尾 流 区 速 度 分 布 ，以 及 对 处 于 尾 流 区 的 风 力 机 性 能所受到的影响进行研究。另一类是对风力机的数值 模 拟 研 究 ，该 方 法 主 要 是 基 于 ＣＦＤ 的 方 法 对 单 机 和 多 机 阵 列 的 尾 流 场 进 行 数 值 模 拟 ，从 而 对 提 出 的 模 型 进 行 验 证 ，以 及 为 基 础 的 流 动 机 理 研 究 提 供 参 考 。 如 ，刘 楠 等［３］（２００８）以 水 平 轴 风 力 机 风 轮 为 研 究 对 象 进 行 数 值模 拟 ，采 用 不 可 压 Ｎ－Ｓ方 程 和 ｋ－ωＳＳＴ 两 方 程 湍