叶尖小翼对水平轴风力机尾迹恢复的影响

发布时间：2020-07-12 07:44

【摘要】：在实际风电场中,由于尾流效应的存在,削弱了风电场整体的发电效率。为了在有限的土地面积内,布置更多的风力机,并提高发电效率,本文研究了通过安装叶尖小翼对风力机尾迹恢复(主要是速度和湍流度)的影响。利用高频PIV系统在低速风洞闭口实验段进行实验,实验对象为NACA4415和SD新翼型双叶片水平轴风力机模型,小翼为S型和V型,对4.5倍风轮直径范围内的尾流信息进行了采集.通过定性及定量分析对比了有无小翼对尾迹速度、涡量、湍流度以及拟序结构变化的影响。通过对风力机尾迹速度场分析和对比,发现两种翼型在添加小翼后,轴向速度的恢复程度要比无小翼时更好(接近于来流风速),说明小翼对尾迹速度的恢复是有利的。首先,通过分析尾迹的平均径向速度,反应了尾迹内外流体的输运和掺混。由尾迹径向流速的变化规律可知,叶尖涡诱导效应区(0.9R)作为输运“载体”,能够将外部主流区的高速流体持续输运至中央尾迹区域并与之掺混,使得中央尾迹区的流体轴向速度逐渐恢复并膨胀。与无小翼的轴向速度相比,添加小翼后,径向速度在相对半径为0.1R处就持续为负值,说明更多的外部流体被卷入尾迹区内,使得轴向速度在中央尾迹区内掺混更加均匀,并随着尾迹的发展和径向距离的增加成逐渐上升的趋势。说明小翼的存在很可能改变了叶尖涡诱导效应区域的流动结构,从而增强了流体输运和掺混的能力。对于不同的翼型而言,添加小翼后,相对半径0.5R处,NACA4415轴向速度值持续高于SD新翼型;而0.9R处,分别在3.5D(添加S型小翼)和2.5D(添加V型小翼)之后,NACA4415翼型的速度值超越了SD新翼型。但风电场中风力机之间的距离一般大于5D,因此认为NACA4415翼型添加小翼后对尾迹速度的恢复更有利,提高了下游风力机的来流风速值,增强了其做功能力。同时也说明V型小翼使尾迹速度恢复得更快。通过分析叶尖涡诱导效应区,小翼的确从两个方面改变了其流动结构:涡核的个数和几何形态;涡量值的大小。首先,对于两种翼型而言,叶尖涡的几何结构在尾迹下游被小翼间接“破碎”,涡量集中区域的面积扩大,使得流体的输运范围增加,更多的外部流体进入尾迹区从而促进了尾迹速度的恢复(SD新翼型对叶尖涡的“破碎”程度比NACA4415翼型更剧烈);另一方面,对于SD新翼型而言,小翼的存在真正起到了削弱了叶尖涡涡量的效果,从而有利于降低风力机的气动噪声。小翼对两种翼型的风力机尾迹湍流恢复的影响则与所选翼型有关:添加小翼后,NACA4415翼型尾迹内脉动速度均方根以及湍动能均增加,说明NACA翼型叶尖涡附近流体扰流程度加剧,促进了尾迹内外流体能量和动量的交换,从而使得流体的输运能力增强;而SD新翼型则二者均明显减少,说明SD新翼型叶尖扰动降低,有利于改善下游风力机的气动性能。结合两种翼型添加小翼后对速度,涡量以及湍流结构恢复的影响,得到了影响尾迹速度恢复的两个因素:输运“载体”的数目和叶尖涡诱导效应区流体的扰动程度(最重要),而扰动程度与所选叶片的翼型有关,所以尾迹速度恢复的程度也受到不同的翼型结构的制约。对于拟序结构(空间相关系数)而言,小翼的存在使得相关性变差,拟序结构提前发生耗散,至远尾迹,完整的相干结构不复存在,与之对应的是完整的叶尖涡涡核被“破碎”成一个个小涡和输运载体的增加,同时证明了拟序结构的耗散即为大尺度涡结构的耗散。总之,NACA4415和SD新翼型的风力机在添加小翼后对于尾迹恢复产生了不同的影响,但由于翼型自身的限制,不能做到使尾迹在速度和湍动能两方面完全恢复。今后的研究可以针对翼型和小翼本身的几何参数进行研究和优化,从而得到对尾迹恢复最有利的翼型和小翼。
【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】：2018
【分类号】：TK83
【图文】：

风轮,尾迹,速度剖面

风力机的尾迹流场一般分成近尾迹和远尾迹区域[49]。前者指从风为风轮直径）内，在该区域内，近尾迹内的流场形状受叶片的大力机的气动性能也主要受其影响。此外，尾迹亏损的发展也受到制约。而在远尾迹内，叶片几何尺寸的影响可以忽略不计，此区以下几个方面：尾流互扰、尾迹模型、湍流模型以及地形带来的影风轮后形成由一系列涡系组成的尾迹区，其外侧流速与来流风速主流区。因为风轮尾迹内的流体与外部主流区流体速度值存在层。当尾迹向下游发展时，剪切层内部的湍流结构的能量逐渐被围环境存在剪切流动使得剪切层内的湍流出现不均匀的现象。在突出的湍流强度极值，在远尾流区域则观察不到这样的极值。图时，尾流流场中的速度轮廓。Ainslie[50]认为尾迹中最大的速度亏风轮直径处，但是如果外部环境的湍流程度较小，该位置将会向数据的比较，Scheper 认为到 2.25 倍风轮直径处时，尾迹便完全

涡系,翼型,叶尖,风轮

图 2-2 有限长翼型的涡系Fig 2-2 The vortex system on the finite aerofoil转的风力机而言，该涡流系统依旧可以观察到。图 2-3 为叶尖涡、的旋转方向。中心涡由不同的叶尖涡运动到轮毂处形成，且具有不 B 叶片数。（当尖速比较小时也是叶尖涡）为叶片带来自身旋转所需的切向力与风轮的旋转方向相反。与中心涡一样，叶尖涡的运动轨迹与风轮三叶片以上的风力机，由于大量叶尖涡的存在和旋转，形成了类似叶尖涡具有切向分量，在叶片上引起轴向速度的产生，使得风轮前。对于大尖速比，叶尖涡的运动轨迹近似平行于风轮平面；螺旋角确定，并与尖速比的变化成反比。

三叶片,旋转风,涡系,叶尖

图 2-2 有限长翼型的涡系Fig 2-2 The vortex system on the finite aerofoil的风力机而言，该涡流系统依旧可以观察到。图 2-3 为旋转方向。中心涡由不同的叶尖涡运动到轮毂处形成， B 片数。当尖速比较小时也是叶尖涡）为叶片带来自身旋转所需风轮的旋转方向相反。与中心涡一样，叶尖涡的运动轨叶片以上的风力机，由于大量叶尖涡的存在和旋转，形尖涡具有切向分量，在叶片上引起轴向速度的产生，使对于大尖速比，叶尖涡的运动轨迹近似平行于风轮平面定，并与尖速比的变化成反比。

【参考文献】