杨瑞，夏巍巍，张昇龙，王久鑫

（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）

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）

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。

风力机；实验研究；速度场；压力场；诱导速度场

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］。

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］（200S）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［5］利用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［6］对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。

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。

1 实验原理

将一台风力机布置在三台7.5 kW的轴流式风机前，分别测量每台风力机后3 D、5 D、S D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。

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］：

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［S］可知，当风轮的半径为0.535 m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。

图1测量点示意图

2 实验准备

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12.5 m/s，塔架高度为1.5 m，所用仪器见表1。

表1实验设备

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

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3 D、5 D、S D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负载。由于单个风力机的尾流场是对称的，同时为了精简测量的数据量，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、S D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12.5 m/s，但基本满足实验要求。

4 测量结果对比

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2无风力机时不同间距的测量值

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，使得在尾流场中心处形成低速度区。但随着半径的逐渐增大，速度值逐渐变大。同时由于外界大气的掺混作用，当速度到达峰值时逐渐开始下降。同样由于地面粗糙度，室内回流以及塔架的影响，测量断面下半圆的速度场明显小于上半圆，且在测量角度为0°时各测量点速度值和压力最大。对于不同测量断面处，随着测量间距的增大，由于尾流的扩散作用使得每个截面在相同角度时的峰值速度随测量半径向外推移。同时在同一角度的速度值的变化趋势逐渐变小。当测量断面为S D时，在同一测量角度上的各测量点的速度变化随半径的增大已经很小。

对风力机尾流场的诱导速度分析时。从图4～图6可知，在同一截面上的诱导速度随着测量半径的增加呈下降趋势，而且在测量半径的边缘出现了负值。说明在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3 D处的诱导速度大于5 D、SD处的诱导速度。而在测量点4之后呈递增趋势。诱导速度呈递减趋势主要是随着测量间距的增大，尾流场中心处的低速度区的速度逐渐恢复。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。

图3有风力机时不同间距的测量值

图4不同截面角度为60°时的诱导速度

对不同截面各角度的诱导速度曲线的交叉点进行分析可以发现，交叉点的位置随着测量角度从-90°到90°的变化先减小后增大，而交叉点的处的诱导速度在误差范围内变化不是很大（图7～图S）。

图5不同截面角度为0°时的诱导速度

图6不同截面角度为_60°时的诱导速度

图7各角度的交叉点位置

对诱导速度曲线分析发现，当测量角度为0°时，交叉的位置近似在测量点3处，而且此处的诱导速度近似等于零，说明该点在有风力机时和无风力机时的速度近似相等。但随着角度向-90°和90°两侧变化，交叉点的位置随半径向外推移，说明当角度为0°时，速度恢复的最快。从前面分析可知，当无风力机时，尾流的速度场随间距的增大呈逐步递减趋势，近似于一条下滑的直线，而当有风力机时，尾流的速度场随间距的增大呈逐步上升的趋势，近似一条上升的曲线，当两条线交会时，该点的诱导速度为零。同时从测量数据可以得知，在测量角度为0°时风速最高，而且随着角度向-90°和90°两侧变化，速度值呈递减趋势。因此导致两条线的斜率发生变化，使得交叉点随测量半径向外推移。

图8各角度的交叉点的处的诱导速度

5 在大型风力机上的应用

实验所得的结论可以通过相似理论在大型风力机上推广使用，但实验所使用的小型风力机和大型风力机的尾流场相比有以下几点差异：

（1）小型风力机在实验时受到空气绕流的影响较大，但对于大型风力机的影响就很小。

（2）大型风力机的塔架高度很高，受到地面粗糙度的影响较小。

（3）大型风力机的叶片长度很大，受到不均匀来流的影响较小。

（4）大型风力机受空气湍流度的影响很小。

（5）小型风力机由于加工工艺的影响，叶片表面的粗糙度很大，对尾流场也有一定的影响。

6 结论

本文利用皮托管和手持风速仪对单个小型风力机的尾流场进行测量，并对所测得的实验结果进行对比分析，得到以下结论：

（1）对于无风力机情况的尾流场来说，由于使用的是轴流式风机，在同一测量断面处的风速随着半径的增加而逐渐减小，而且测量断面的下半圆的速度和压力值明显小于上半圆，在不同测量断面处，随着测量间距的增大，速度逐渐减小。

（2）对于有风力机情况的尾流场来说，在同一测量断面处，风速随着测量半径的增加先增加后逐渐减小，这主要是由于风力机的旋转作用，使得在尾流场的中心处形成低速度区。但随着半径的逐渐增大，速度值逐渐变大。同时由于外界大气的掺混作用，当速度到达峰值时逐渐开始下降。而对不同测量断面处的测量值比较可以发现，随着测量间距的增大，由于尾流的扩散作用使得每个截面在相同角度时的峰值速度随测量半径向外推移。

（3）对于风力机的尾流的诱导速度，在同一截面上的诱导速度随半径的增加呈下降趋势；而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，而且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。

［1]朱翀，王同光，钟伟.风力机尾流流场的数值分析和尾流边界建模［J].南京航空航天大学学报，2011，43 (5):687_692.

［2]Vermeer L J，Sorensen JN，Crespo A.W ind turbinewake aerodynamics［J].Progress in Aerospace Sciences，2003，39(6_7):467_510.

［3]刘楠，廖伟丽，王伟峰.水平轴风力机风轮气动性能数值模拟［J].电网与水力发电进展，2008，24(6):54_ 57.

［4]张玉良，李仁年，杨从新.水平轴风力机的设计与流场特性数值预测［J].兰州理工大学学报，2007，33(2): 54_57.

［5]胡丹梅，田杰，杜朝辉.水平轴风力机尾迹的测量与分析［J].动力工程，2006，26(5):121_130.

［6]郭静婷.风电场中风力机间相互影响的研究［D].呼和浩特:内蒙古工业大学，2010.

［7]陈晓明.风场和风力机尾流模型研究［D].兰州:兰州理工大学，2010.

［8]Mikkelsen R.Actuator disc methods applied to wind turbines［D].Danish:Technical University of Denmark，2003.

Experimental Research of Wind Turbine Wake Field

YANG Rui1，2，XIAWeiwei2，ZHANG Shenglong2，WANG Jiuxin2
（1.Wind Turbine Engineering Technology Research Center of Gansu Province，Lanzhou 730050，China；2.School of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

In order to get the information of the wind turbine wake field，and Provide reference for the research of large scale wind turbine wake field，the wind velocity is Provided by using axial flow fan，and the wake fields of no wind turbine and a single smallwind turbine aremeasured by using Pitot tube and handheld anemometer，then the distribution regularities of the velocity field，Pressure field and the induced velocity field in wake zone are obtained.It turned out that the velocity decreases gradually with the increase of the radius at the samemeasurement section for the situation of no wind turbine.For the situation of a singlewind turbine，the velocity first increaseswith radius grows then decreases gradually at the samemeas_ urement section.For the differentmeasurement sections，the variation trend of sPeed decreases gradually at the same angle with the increase of measurement distance.The curve of induced velocity shows the induced velocity decreases with the increase of the radius at the samemeasurement section.While the curve of induced velocity at the samemeasure angle for the differentmeasurement sectionswill intersectwith each other.

wind turbine；exPerimental research；velocity field；Pressure field；induced velocity field

TKS3

A

1673_1549(2014)02_0023_05

10.11863/j.suse.2014.02.05

2013_11_01

国家自然科学基金（11162009）；教育部博士点基金项目（1106ZBA004）

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）xS11097395@163.com