利用高频PIV探索风力机近尾迹流场湍流特征的实验研究

发布时间：2020-05-27 23:25

【摘要】：风力机运行时，在近尾迹区流场会产生及其复杂的湍流结构，流动阻力及气动噪声等有害因素便随之产生，因此风力机近尾迹流场湍流特征的研究工作亟待开展。普通的低频PIV难以满足通过极高的采样频率以捕捉流场变化细节及探究复杂的湍流结构的实验要求，故本文利用高频PIV技术进行风力机尾迹流场测试，以初步探索其湍流特征。在风洞闭口试验段，以风轮直径为292mm的三叶片水平轴风力机为实验对象，分别以1000Hz和2000Hz的采样频率对其近尾迹区（约1.3倍风轮半径内）的上半部分流场进行采样，获得了不同工况时的连续瞬时速度场及涡量场信息。基于连续的涡量场云图，获得了流场中叶尖涡以及中心涡随方位角增加的变化趋势；此外还重建了风力机的三维尾迹流场以展示叶尖涡等涡结构呈螺旋运动向尾迹下游发展的现象。然后对瞬时速度场进行相应的计算，得到平均速度、平均涡量、脉动速度均方根、雷诺应力、湍流动能、空间相关系数等与流场湍流特征相关的参量信息并且加以量化分析。分析发现：同一工况下，随着径向位置的增大平均速度逐渐增大，在经过中心涡影响范围时平均速度增幅最大，在叶尖涡影响范围内次之；随着轴向位置的增大平均速度逐渐减小，在中心涡区域平均速度减小幅度最大，在叶尖涡区域平均速度减小幅度很微弱。在叶尖涡涡核运动轨迹处，轴向速度脉动最微弱，，而径向速度脉动最强烈。从整体上看，湍流特征明显的区域主要集中于中心涡和叶尖涡区域，脉动速度均方根、雷诺应力、湍流动能都相对最大，但叶尖涡区域次于中心涡区域；而在叶尖涡区域内，毗邻叶尖处存在类圆形区域，不同来流风速时，直径大小范围约为0.08-0.17倍风轮半径，与同一工况下其他区域相比，此区域速度脉动最为强烈，湍流特征最为明显。轴向空间相关系数与径向空间相关系数云图的叶尖涡和中心涡区域存在正负相关带沿着轴向交替出现的规律，说明风力机近尾迹流场中存在许多相干结构（拟序结构）；并且发现由轴向空间相关系数获得的拟合曲线与叶尖涡涡核中心向尾迹下游的运动轨迹基本相似，可用此曲线对叶尖涡的总体运动趋势进行估测。经过以上工作，本文达到了探索风力机近尾迹流场湍流特征的目的，对其中的流动细节及湍流特点有了较深的认识，发觉了日后研究工作的侧重点，为更深层次的风力机近尾迹湍流研究积累了经验。
【图文】：

一维流动,质量守恒,动量守恒,圆盘

内蒙古工业大学硕士学位论文第二章基础理论2.1 水平轴风力机流场理论2.1.1 制动盘理论风力机从来流风中获取能量，通过旋转盘的流动元素后损失掉一部分动能。通过风力机的流体速度因此减小，从风轮上游的速度 u∞变为下游远尾迹处的速度 uw。静压值由上游的 p∞增加到圆盘前方的 P d，然后在圆盘后突然减小到 P d，压力值的从大到小给圆盘施加了轴向推力。圆盘后变小的压力会在尾迹流动中逐渐恢复到自由流场中的压力值 p∞，如图 2-1 所示[42]。

示意图,风轮,术语,示意图

图 2-2 风轮术语及示意图Fig 2-2 wind turbine term and schematic diagram迹的速度表达式用 x 和推力曲线的函数关系式来表示。如图 2-3 为不同位置线推力系数值的变化，能够看到对于无黏性的一维速度模型和圆盘下游的两相关的。在此原理中，速度能够用来计算尾迹中下一个致动盘的输出功率。
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK83

【参考文献】