【摘要】：在實際風電場中,由于尾流效應(yīng)的存在,削弱了風電場整體的發(fā)電效率。為了在有限的土地面積內(nèi),布置更多的風力機,并提高發(fā)電效率,本文研究了通過安裝葉尖小翼對風力機尾跡恢復(主要是速度和湍流度)的影響。利用高頻PIV系統(tǒng)在低速風洞閉口實驗段進行實驗,實驗對象為NACA4415和SD新翼型雙葉片水平軸風力機模型,小翼為S型和V型,對4.5倍風輪直徑范圍內(nèi)的尾流信息進行了采集.通過定性及定量分析對比了有無小翼對尾跡速度、渦量、湍流度以及擬序結(jié)構(gòu)變化的影響。通過對風力機尾跡速度場分析和對比,發(fā)現(xiàn)兩種翼型在添加小翼后,軸向速度的恢復程度要比無小翼時更好(接近于來流風速),說明小翼對尾跡速度的恢復是有利的。首先,通過分析尾跡的平均徑向速度,反應(yīng)了尾跡內(nèi)外流體的輸運和摻混。由尾跡徑向流速的變化規(guī)律可知,葉尖渦誘導效應(yīng)區(qū)(0.9R)作為輸運“載體”,能夠?qū)⑼獠恐髁鲄^(qū)的高速流體持續(xù)輸運至中央尾跡區(qū)域并與之摻混,使得中央尾跡區(qū)的流體軸向速度逐漸恢復并膨脹。與無小翼的軸向速度相比,添加小翼后,徑向速度在相對半徑為0.1R處就持續(xù)為負值,說明更多的外部流體被卷入尾跡區(qū)內(nèi),使得軸向速度在中央尾跡區(qū)內(nèi)摻混更加均勻,并隨著尾跡的發(fā)展和徑向距離的增加成逐漸上升的趨勢。說明小翼的存在很可能改變了葉尖渦誘導效應(yīng)區(qū)域的流動結(jié)構(gòu),從而增強了流體輸運和摻混的能力。對于不同的翼型而言,添加小翼后,相對半徑0.5R處,NACA4415軸向速度值持續(xù)高于SD新翼型;而0.9R處,分別在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。但風電場中風力機之間的距離一般大于5D,因此認為NACA4415翼型添加小翼后對尾跡速度的恢復更有利,提高了下游風力機的來流風速值,增強了其做功能力。同時也說明V型小翼使尾跡速度恢復得更快。通過分析葉尖渦誘導效應(yīng)區(qū),小翼的確從兩個方面改變了其流動結(jié)構(gòu):渦核的個數(shù)和幾何形態(tài);渦量值的大小。首先,對于兩種翼型而言,葉尖渦的幾何結(jié)構(gòu)在尾跡下游被小翼間接“破碎”,渦量集中區(qū)域的面積擴大,使得流體的輸運范圍增加,更多的外部流體進入尾跡區(qū)從而促進了尾跡速度的恢復(SD新翼型對葉尖渦的“破碎”程度比NACA4415翼型更劇烈);另一方面,對于SD新翼型而言,小翼的存在真正起到了削弱了葉尖渦渦量的效果,從而有利于降低風力機的氣動噪聲。小翼對兩種翼型的風力機尾跡湍流恢復的影響則與所選翼型有關(guān):添加小翼后,NACA4415翼型尾跡內(nèi)脈動速度均方根以及湍動能均增加,說明NACA翼型葉尖渦附近流體擾流程度加劇,促進了尾跡內(nèi)外流體能量和動量的交換,從而使得流體的輸運能力增強;而SD新翼型則二者均明顯減少,說明SD新翼型葉尖擾動降低,有利于改善下游風力機的氣動性能。結(jié)合兩種翼型添加小翼后對速度,渦量以及湍流結(jié)構(gòu)恢復的影響,得到了影響尾跡速度恢復的兩個因素:輸運“載體”的數(shù)目和葉尖渦誘導效應(yīng)區(qū)流體的擾動程度(最重要),而擾動程度與所選葉片的翼型有關(guān),所以尾跡速度恢復的程度也受到不同的翼型結(jié)構(gòu)的制約。對于擬序結(jié)構(gòu)(空間相關(guān)系數(shù))而言,小翼的存在使得相關(guān)性變差,擬序結(jié)構(gòu)提前發(fā)生耗散,至遠尾跡,完整的相干結(jié)構(gòu)不復存在,與之對應(yīng)的是完整的葉尖渦渦核被“破碎”成一個個小渦和輸運載體的增加,同時證明了擬序結(jié)構(gòu)的耗散即為大尺度渦結(jié)構(gòu)的耗散。總之,NACA4415和SD新翼型的風力機在添加小翼后對于尾跡恢復產(chǎn)生了不同的影響,但由于翼型自身的限制,不能做到使尾跡在速度和湍動能兩方面完全恢復。今后的研究可以針對翼型和小翼本身的幾何參數(shù)進行研究和優(yōu)化,從而得到對尾跡恢復最有利的翼型和小翼。
【學位授予單位】：內(nèi)蒙古工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK83
【圖文】：

風力機的尾跡流場一般分成近尾跡和遠尾跡區(qū)域[49]。前者指從風為風輪直徑）內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)，近尾跡內(nèi)的流場形狀受葉片的大力機的氣動性能也主要受其影響。此外，尾跡虧損的發(fā)展也受到制約。而在遠尾跡內(nèi)，葉片幾何尺寸的影響可以忽略不計，此區(qū)以下幾個方面：尾流互擾、尾跡模型、湍流模型以及地形帶來的影風輪后形成由一系列渦系組成的尾跡區(qū)，其外側(cè)流速與來流風速主流區(qū)。因為風輪尾跡內(nèi)的流體與外部主流區(qū)流體速度值存在層。當尾跡向下游發(fā)展時，剪切層內(nèi)部的湍流結(jié)構(gòu)的能量逐漸被圍環(huán)境存在剪切流動使得剪切層內(nèi)的湍流出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。在突出的湍流強度極值，在遠尾流區(qū)域則觀察不到這樣的極值。圖時，尾流流場中的速度輪廓。Ainslie[50]認為尾跡中最大的速度虧風輪直徑處，但是如果外部環(huán)境的湍流程度較小，該位置將會向數(shù)據(jù)的比較，Scheper 認為到 2.25 倍風輪直徑處時，尾跡便完全

圖 2-2 有限長翼型的渦系Fig 2-2 The vortex system on the finite aerofoil轉(zhuǎn)的風力機而言，該渦流系統(tǒng)依舊可以觀察到。圖 2-3 為葉尖渦、的旋轉(zhuǎn)方向。中心渦由不同的葉尖渦運動到輪轂處形成，且具有不 B 葉片數(shù)。（當尖速比較小時也是葉尖渦）為葉片帶來自身旋轉(zhuǎn)所需的切向力與風輪的旋轉(zhuǎn)方向相反。與中心渦一樣，葉尖渦的運動軌跡與風輪三葉片以上的風力機，由于大量葉尖渦的存在和旋轉(zhuǎn)，形成了類似葉尖渦具有切向分量，在葉片上引起軸向速度的產(chǎn)生，使得風輪前。對于大尖速比，葉尖渦的運動軌跡近似平行于風輪平面；螺旋角確定，并與尖速比的變化成反比。

圖 2-2 有限長翼型的渦系Fig 2-2 The vortex system on the finite aerofoil的風力機而言，該渦流系統(tǒng)依舊可以觀察到。圖 2-3 為旋轉(zhuǎn)方向。中心渦由不同的葉尖渦運動到輪轂處形成， B 片數(shù)。當尖速比較小時也是葉尖渦）為葉片帶來自身旋轉(zhuǎn)所需風輪的旋轉(zhuǎn)方向相反。與中心渦一樣，葉尖渦的運動軌葉片以上的風力機，由于大量葉尖渦的存在和旋轉(zhuǎn)，形尖渦具有切向分量，在葉片上引起軸向速度的產(chǎn)生，使對于大尖速比，葉尖渦的運動軌跡近似平行于風輪平面定，并與尖速比的變化成反比。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2751642