馬劍龍，李學(xué)彬，呂文春,3，霍德豪，吳雨晴，汪建文

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基于高頻PIV的偏航對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片尾跡膨脹和葉尖渦耗散影響

馬劍龍1,2，李學(xué)彬1，呂文春1,3，霍德豪1，吳雨晴1，汪建文1,2

（1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2. 風(fēng)能太陽能利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技與職教研究中心，呼和浩特 010070）

為了揭示葉片尾跡結(jié)構(gòu)隨偏航角變化的響應(yīng)特征，該文以直徑為1.4 m的水平軸風(fēng)力機(jī)為模型，利用高頻PIV開展了尾跡流場(chǎng)特征的試驗(yàn)測(cè)試，探究了尾跡膨脹、葉尖渦耗散與來流風(fēng)速、接入負(fù)載（即葉片轉(zhuǎn)速）、偏航角度間的關(guān)聯(lián)性和關(guān)聯(lián)規(guī)律。研究結(jié)果揭示：不偏航時(shí)，隨著發(fā)電機(jī)接入負(fù)載的增加，尾跡流動(dòng)向風(fēng)輪外側(cè)膨脹的趨勢(shì)變大，外流場(chǎng)與尾跡流場(chǎng)間的摻混效應(yīng)加劇，從而導(dǎo)致葉尖渦耗散速率加快；偏航時(shí)，偏航行為會(huì)使尾跡流場(chǎng)向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)收縮，且收縮速率會(huì)隨著偏航角的增加而變大，此時(shí)外側(cè)流場(chǎng)與尾跡流場(chǎng)間的摻混效應(yīng)減弱，從而導(dǎo)致葉尖渦擴(kuò)散速率減小。測(cè)試結(jié)果同時(shí)揭示：在葉尖渦脫落的初始階段，渦量值存在先增大后減小的規(guī)律性變化。同時(shí)，偏航狀態(tài)下，葉片轉(zhuǎn)速的增加會(huì)促使最大渦量值點(diǎn)提前出現(xiàn)，且提前出現(xiàn)的趨勢(shì)會(huì)隨偏航角的增大而加劇。該文以試驗(yàn)測(cè)試的方法揭示了葉片的尾跡膨脹和葉尖渦耗散特征，相關(guān)成果對(duì)于葉片尾跡結(jié)構(gòu)組成和輸運(yùn)規(guī)律的深入探究具有較重要的參考價(jià)值。

風(fēng)力機(jī)；計(jì)算機(jī)仿真；偏航角；葉片；尾跡膨脹；葉尖渦耗散；高頻PIV

0 引 言

氣流通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片后，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的空間渦系，渦系的生成、生長與擴(kuò)展規(guī)律的掌握是分析葉片尾跡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征的重要基礎(chǔ)，更是精確掌握尾跡流動(dòng)阻力、氣動(dòng)噪聲和下游風(fēng)力機(jī)振動(dòng)誘因的關(guān)鍵因素，因此開展相關(guān)研究具有重要的價(jià)值。葉尖渦作為從葉片脫落后唯一不受風(fēng)力機(jī)機(jī)體干擾的渦系，更是研究人員一直關(guān)注的重要問題。

然而，受限于流場(chǎng)高速監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)的滯后和之前研究人員對(duì)偏航工況的關(guān)注度不足，使得相關(guān)研究仍處于起步階段。近年來已有研究揭示，偏航可能是導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生激振，進(jìn)而誘發(fā)共振、顫振的主要誘因，這迫使研究人員不得不重新重視偏航行為對(duì)葉片產(chǎn)生的影響，而偏航狀態(tài)下葉片尾跡流場(chǎng)膨脹和葉尖渦耗散特性的解析則是此類研究工作開展的基礎(chǔ)。

相關(guān)研究分為數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試2個(gè)方面。數(shù)值計(jì)算方面的典型研究如：澳大利亞學(xué)者Choudhry[1]運(yùn)用大渦模擬法對(duì)風(fēng)力機(jī)之間的尾流干擾進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)尾流中的速度虧損區(qū)域和高湍流度區(qū)域均為高渦量區(qū)域。Kimura等[2]研究了葉尖速比對(duì)葉尖渦結(jié)構(gòu)和耗散過程的影響，揭示了葉尖速比變化對(duì)尾流膨脹發(fā)生位置的影響。Kim等[3]對(duì)阿基米德翼型風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，證明了風(fēng)力機(jī)尾跡結(jié)構(gòu)特征會(huì)受到風(fēng)速及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的影響。許波峰等[4]采用自由渦尾跡方法計(jì)算了偏航工況下風(fēng)力機(jī)尾跡的擴(kuò)張及葉尖渦的產(chǎn)生、發(fā)展和耗散的過程。馬興宇等[5]通過數(shù)值模擬對(duì)葉尖渦的強(qiáng)度和尾跡控制方法進(jìn)行了研究，分析了尾跡渦旋的特征和葉片表面壓力分布情況。胡丹梅等[6]分析了不同入流條件對(duì)尾跡渦的位置及結(jié)構(gòu)變化的影響規(guī)律。陳曉明等[7]則分析了不同工況下葉片氣動(dòng)性能的變化規(guī)律，得出了偏航會(huì)導(dǎo)致尾跡發(fā)生明顯偏斜的結(jié)論。

試驗(yàn)方面的典型研究如：Parkin等[8]利用TR-PIV裝置對(duì)直徑0.25 m的雙葉片水平軸風(fēng)力機(jī)開展風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了不同偏航角下平均渦量的變化規(guī)律。Massouh等[9]利用鎖相定位與PIV技術(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡中速度場(chǎng)與渦量場(chǎng)進(jìn)行了分析，獲取了葉尖渦渦核直徑與渦流速度間的函數(shù)關(guān)系。Micallef等[10]利用三維粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)直徑2 m的風(fēng)輪進(jìn)行拍攝，研究了葉尖渦從葉尖位置產(chǎn)生和脫落的細(xì)節(jié)過程。Hashemi等[11]利用PIV裝置研究了水平軸風(fēng)力機(jī)的尾跡流動(dòng)特征，證實(shí)了葉尖渦跳躍現(xiàn)象的存在。Bastankhah等[12]利用高頻PIV對(duì)風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu)和速度場(chǎng)開展測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了尾跡的偏斜會(huì)影響尾跡流場(chǎng)速度的分布。Eriksen等[13]利用熱線風(fēng)速儀對(duì)尾跡流場(chǎng)的三維速度進(jìn)行了采集，得出了葉尖渦之間的相互作用及渦攜帶能量隨尾跡發(fā)展的變化規(guī)律。Sherry等[14]研究了水平軸風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)的葉尖渦、中心渦的發(fā)展特征，發(fā)現(xiàn)中心渦的擴(kuò)散速度相對(duì)較快。Jackson等[15]使用熱線風(fēng)速儀測(cè)量了三葉片水平軸風(fēng)力機(jī)尾跡后方不同位置的速度虧損，并利用高頻PIV捕獲了葉尖渦的產(chǎn)生和三倍風(fēng)輪直徑位置處尾跡渦量的耗散情況。

肖京平等[16]以NREI UAE Phase VI風(fēng)力機(jī)1/8縮比模型為試驗(yàn)對(duì)象，獲取了葉尖渦產(chǎn)生和發(fā)展的流動(dòng)規(guī)律。陳秋華等[17]采用三維PIV研究了2種不同尖速比下水平軸風(fēng)力機(jī)葉尖渦演變過程和尾流速度場(chǎng)特性。高志鷹等[18]應(yīng)用PIV鎖相定位技術(shù)測(cè)試了風(fēng)力機(jī)尾跡速度場(chǎng)，得到了葉尖渦運(yùn)動(dòng)規(guī)律和尾跡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。胡丹梅等[19]利用PIV對(duì)風(fēng)輪尾跡流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，得到了尾跡渦的渦核中心所形成的運(yùn)動(dòng)軌跡在不同尖速比下的變化規(guī)律。

綜合文獻(xiàn)分析可知，葉片尾跡流場(chǎng)膨脹對(duì)葉尖渦耗散影響的敏感性仍不清楚，偏航行為對(duì)尾跡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征的影響仍不明確，特別是對(duì)葉尖渦生成和耗散影響的規(guī)律性和影響機(jī)理研究仍處于起步階段。基于此，本文擬利用高頻PIV對(duì)葉片尾跡流場(chǎng)開展研究，分析葉尖渦在不同工況下的傳播軌跡和耗散過程，揭示尾跡膨脹對(duì)葉尖渦耗散速率影響的敏感性、影響規(guī)律和作用機(jī)理。

1 測(cè)試試驗(yàn)

1.1 測(cè)試對(duì)象和測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試對(duì)象為水平軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪直徑為1.4 m，葉片材質(zhì)為工程塑料。測(cè)試中，風(fēng)力機(jī)安置于直流式風(fēng)洞的開口試驗(yàn)段，測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.風(fēng)洞 2.煙霧發(fā)生器 3.CCD相機(jī) 4.偏航裝置 5.電腦 6.激光器 7.激光器電源 8.功率分析儀 9.電子負(fù)載 10.電腦

1.Wind tunnel 2.Smoke generator 3.CCD camera 4.Yaw device 5.Computer 6.Laser 7.Laser power supply 8.Power analyzer 9.Electronic load 10.Computer

圖1 葉片尾跡的測(cè)試系統(tǒng)

Fig.1 Test system of wind turbine blade wake

測(cè)試方法如下：1）風(fēng)速大小的調(diào)節(jié)通過風(fēng)洞入口端變頻器改變軸流式引風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)則通過改變電子負(fù)載的接入電阻值予以實(shí)現(xiàn)。

2）測(cè)試開始前，需利用標(biāo)定靶盤對(duì)拍攝區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，確定拍攝范圍，調(diào)整拍攝分辨率，并完成CCD相機(jī)與葉片的對(duì)焦工作，PIV標(biāo)定參數(shù)如表1所示。偏航時(shí)，拍攝區(qū)域選擇為靠近風(fēng)洞開口端的葉片。

3）試驗(yàn)開始后，首先開啟風(fēng)洞，根據(jù)所需風(fēng)速調(diào)節(jié)風(fēng)洞變頻器，待試驗(yàn)段風(fēng)速穩(wěn)定后，觸發(fā)位于風(fēng)洞入口端的煙霧發(fā)生器，使其發(fā)射帶有熒光粒子的煙霧并維持?jǐn)?shù)秒，待煙霧到達(dá)測(cè)試區(qū)域后，觸發(fā)PIV系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

表1 PIV標(biāo)定參數(shù)

4）測(cè)試中，采樣頻率為1 kHz，拍攝時(shí)長0.5 s，單次拍攝所獲圖像數(shù)量500張。

1.2 測(cè)試裝置

采用德國LaVision公司研發(fā)的TR-PIV粒子圖像測(cè)速裝置完成葉片尾跡流場(chǎng)信息的采集，設(shè)備的測(cè)試誤差小于1%。高頻CCD相機(jī)采用仰視拍攝的方式，相機(jī)垂直向上放置于葉片的正下方，激光器位于葉片后方1 m處，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2。

圖2 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)時(shí)間為2018年7月期間，試驗(yàn)于內(nèi)蒙古自治區(qū)新能源實(shí)驗(yàn)示范基地的B1/K2型低速風(fēng)洞開口試驗(yàn)段前完成，其所提供風(fēng)速的湍流度小于5‰。葉片轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)通過南京美爾諾電子有限公司研發(fā)的M9812型可編程直流電子負(fù)載完成，其測(cè)試誤差小于3‰。

測(cè)試開始后，首先根據(jù)所需葉片轉(zhuǎn)速計(jì)算出對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)電頻率，并通過調(diào)節(jié)接入負(fù)載的電阻值使發(fā)電機(jī)達(dá)到對(duì)應(yīng)的電頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片轉(zhuǎn)速的設(shè)定。電能信號(hào)采集通過美國Fluke公司研制的高精度六相功率分析系統(tǒng)Norma 5000完成。

2 尾跡膨脹分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

以來流風(fēng)速為9 m/s、接入負(fù)載為200W為例，PIV采集到的圖像信息示例如圖3a所示。其后，利用相應(yīng)分析軟件對(duì)拍攝圖像進(jìn)行后處理，即可得到流場(chǎng)渦量云圖，如圖3b。

高頻PIV雖然具有很好的葉尖渦跟蹤效果，可以完美地監(jiān)測(cè)任何一個(gè)葉尖渦的生成與擴(kuò)散過程。由于風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)行條件下或風(fēng)洞測(cè)試條件下來流風(fēng)速的非定常，導(dǎo)致即使葉片處于定速旋轉(zhuǎn)，其下游的尾跡流場(chǎng)仍具有一定的非定常特征，即尾跡空間的某一確定位置處的流動(dòng)參數(shù)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生一定程度上的變化，也就是說，在PIV的1次拍攝中所捕獲的15個(gè)葉尖渦的生成與擴(kuò)散軌跡并不完全重疊，而是具有一定的差異性。因此，利用其中任何一個(gè)葉尖渦的渦量云圖開展葉尖渦擴(kuò)散軌跡的分析均有可能存在一定程度上的不確定性，影響所獲結(jié)論的可靠性。

注：來流風(fēng)速為9 m·s-1，發(fā)電機(jī)的接入負(fù)載電阻為200 Ω。

Note: Incoming wind velocity is 9 m·s-1, and the load resistance of the generator is 200 Ω.

圖3 PIV采集到的圖像流場(chǎng)圖

Fig.3 Flow field maps of image captured by camera

為了盡量減小這一客觀誤差對(duì)后續(xù)分析造成的影響，作者借鑒多次測(cè)量求取平均值減小誤差影響的理念，將同一工況時(shí)PIV捕獲的500張瞬時(shí)渦量云圖進(jìn)行數(shù)據(jù)平均，并以所獲平均渦量云圖作為葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡分析的基礎(chǔ)，這一處理方法可以較好地減小尾跡流動(dòng)的隨機(jī)波動(dòng)對(duì)結(jié)論分析可靠性造成的影響。

2.2 葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡傾角的定義

以來流風(fēng)速為9 m/s、接入負(fù)載為700 Ω時(shí)為例，葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡傾角的定義如圖4所示。云圖中葉尖渦的擴(kuò)散軌跡為具有一定寬度的紅色尾跡線，其表征了葉尖渦擴(kuò)散軌跡的波動(dòng)范圍，然而卻并不能量化顯示軌跡與空間坐標(biāo)間的相對(duì)關(guān)系，因此無法以定量的形式比較工況因素變化對(duì)葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡和尾跡流場(chǎng)膨脹的影響。

注：來流風(fēng)速為9 m·s-1，發(fā)電機(jī)的接入負(fù)載電阻為700 Ω。

Note: Incoming wind velocity is 9 m·s-1and the load resistance of the generator is 700 Ω.

圖4 葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡傾角的定義

Fig.4 Definition of inclination of tip-vortex motion locus

為了定量分析葉尖渦尾跡擴(kuò)散的軌跡特征，需根據(jù)本文具體測(cè)試工況定義描述葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)。通過對(duì)所涉及全部測(cè)試工況下平均渦量云圖的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)渦量集中耗散區(qū)域主要分布于葉尖渦初始生成位置和平均渦量云圖中橫坐標(biāo)為20 mm之間的區(qū)域，故可以葉尖渦初始生成位置處的渦核中心與橫坐標(biāo)20 mm位置線上的渦核中心間的連線定義為葉尖渦的運(yùn)動(dòng)軌跡線，并將該連線與渦量云圖中的水平線間的夾角定義為葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡傾角。由此，即可由葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡傾角定量地描述葉片尾跡膨脹的程度。

至此，于平均渦量云圖中識(shí)別葉尖渦初始生成位置處的渦核中心和橫坐標(biāo)20 mm線上的渦核中心便成為關(guān)鍵?？紤]到PIV監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，葉尖渦的渦核中心為最大渦量值位置，平均渦量云圖中，雖然各個(gè)葉尖渦的渦核中心位置有一定程度的波動(dòng)，但渦量值最大的位置仍可認(rèn)為是葉尖渦渦核出現(xiàn)的中心位置。PIV后處理軟件具備最大值自動(dòng)識(shí)別功能，可于選定的區(qū)域內(nèi)或規(guī)定的直線上自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)的最大值位置坐標(biāo)。因此，可以實(shí)現(xiàn)上述對(duì)葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡傾角的判別和獲取。

2.3 未偏航時(shí)的尾跡膨脹特征

來流風(fēng)速為8～11 m/s時(shí)，葉尖渦軌跡傾角隨接入電阻的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同來流風(fēng)速時(shí)，葉尖渦軌跡傾角隨接入電阻值的變化

由圖5中數(shù)據(jù)可知：來流風(fēng)速恒定時(shí)，隨接入負(fù)載（決定葉片轉(zhuǎn)速）的增大，葉尖渦軌跡傾角逐漸增大，表明尾跡不斷膨脹；且在低負(fù)載調(diào)節(jié)時(shí)，葉尖渦軌跡傾角的變化速率比高負(fù)載時(shí)大很多，即葉尖渦軌跡傾角對(duì)低負(fù)載變化的響應(yīng)比高負(fù)載時(shí)敏感，這說明低負(fù)載調(diào)節(jié)時(shí)，尾跡的膨脹速率更大，同時(shí)也說明葉片尾跡并非隨接入負(fù)載的變化成線性膨脹。

負(fù)載恒定時(shí)，隨來流風(fēng)速的增大，葉尖渦軌跡傾角逐漸變小，說明此時(shí)的尾跡正在收縮，這表明風(fēng)速的增大會(huì)阻礙葉尖渦向風(fēng)輪外側(cè)的擴(kuò)散。

分析造成上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋贺?fù)載的增大會(huì)導(dǎo)致葉片轉(zhuǎn)速增加，低負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化響應(yīng)相對(duì)較快；同時(shí)，受葉片離心力作用的影響，葉尖渦脫體時(shí)受葉片的拋射作用會(huì)產(chǎn)生沿風(fēng)輪徑向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；而在來流風(fēng)速的作用下，葉尖渦會(huì)產(chǎn)生沿風(fēng)輪軸向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；在來流風(fēng)速恒定的條件下，隨葉片轉(zhuǎn)速增加，葉尖渦沿徑向的運(yùn)動(dòng)速度增大，故在相同的時(shí)間歷程內(nèi)，葉尖渦沿徑向的位移增大，由此，葉片尾跡流場(chǎng)在葉尖渦的誘導(dǎo)作用下，沿風(fēng)輪徑向產(chǎn)生膨脹；當(dāng)負(fù)載恒定時(shí)，隨來流風(fēng)速增大，相同的時(shí)間歷程內(nèi)，葉尖渦沿風(fēng)輪軸向的位移增大，徑向位移不變，由此導(dǎo)致葉尖渦的軌跡傾角變小，造成葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)收縮，進(jìn)而尾跡流場(chǎng)在葉尖渦的誘導(dǎo)作用下產(chǎn)生沿風(fēng)輪徑向的收縮。

2.4 偏航時(shí)尾跡的膨脹特征

仍以來流風(fēng)速為9 m/s為例，當(dāng)偏航角為5°～30°時(shí)，葉尖渦軌跡傾角隨接入負(fù)載的變化如圖6所示。此處，定義葉尖渦軌跡傾角向風(fēng)輪外側(cè)偏斜為正，反之為負(fù)。

注：來流風(fēng)速為9 m·s-1。

Note: Incoming wind velocity is 9 m·s-1.

圖6 偏航時(shí)葉尖渦軌跡傾角隨接入電阻值的變化

Fig.6 Variation of inclination of tip-vortex motion locus with electric resistance when yawed

由圖6中數(shù)據(jù)可知：

1）當(dāng)偏航角增大至一定程度時(shí)，在低負(fù)載區(qū)時(shí)，葉尖渦軌跡傾角會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，表明此時(shí)尾跡會(huì)向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)收縮，隨著接入負(fù)載的增加，葉尖渦軌跡傾角逐漸恢復(fù)為正值，即尾跡由收縮形式逐步變?yōu)榕蛎浶问健?/p>

2）當(dāng)來流風(fēng)速和偏航角度恒定時(shí)，隨接入負(fù)載的增大，葉尖渦軌跡傾角會(huì)相應(yīng)增大，出現(xiàn)與未偏航時(shí)相類似的規(guī)律性。

3）在來流風(fēng)速和外接負(fù)載恒定的前提下，隨偏航角增大，葉尖渦軌跡傾角會(huì)逐漸減小，表明偏航狀態(tài)下葉尖渦向風(fēng)輪外側(cè)的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到限制，導(dǎo)致尾跡流場(chǎng)向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)收縮，且這種影響力會(huì)隨偏航角度的增大而增強(qiáng)。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋翰话l(fā)生偏航時(shí)，軸向誘導(dǎo)速度近似可以看作對(duì)稱，但當(dāng)偏航發(fā)生時(shí)，誘導(dǎo)速度會(huì)出現(xiàn)明顯的梯度分布，導(dǎo)致在風(fēng)輪徑向方向上產(chǎn)生誘導(dǎo)速度分量，使尾跡發(fā)生偏斜；當(dāng)來流風(fēng)速和葉片轉(zhuǎn)速（由接入負(fù)載決定）一定時(shí)，隨偏航角增大，誘導(dǎo)速度的梯度不對(duì)稱性分布加劇，進(jìn)而增強(qiáng)了尾跡發(fā)生偏斜的趨勢(shì)，因此，當(dāng)偏航角較大時(shí)，葉尖渦軌跡傾角全部變?yōu)樨?fù)值，尾跡向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)收縮。

3 葉尖渦的輸運(yùn)與耗散分析

為了分析葉尖渦向下游擴(kuò)散中的輸運(yùn)和耗散特征，對(duì)PIV所獲渦量云圖做如下處理，即在圖4中葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡區(qū)域內(nèi)，沿橫坐標(biāo)逐點(diǎn)識(shí)別渦量值最大點(diǎn)，并以各最大值點(diǎn)連線作為葉尖渦向下游傳播中的軌跡線，進(jìn)而提取軌跡線上各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫/縱坐標(biāo)值繪制葉尖渦渦量值隨工況變化的曲線。

以來流風(fēng)速為9 m/s，葉尖渦渦量值隨接入負(fù)載和偏航角度的變化如圖7所示。

圖7 來流風(fēng)速為9 m·s-1時(shí)，葉尖渦渦量值隨接入電阻值和偏航角度的變化

由圖7中數(shù)據(jù)可知：

1）葉尖渦從葉片脫落后，在向下游的傳播中，渦量值呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，這表明葉尖渦從葉片脫落后會(huì)有一個(gè)將葉尖周圍附著的渦量逐步卷入的過程，使渦量值達(dá)到極值，而后，葉尖渦在向下游的傳播中受氣動(dòng)阻尼的影響，渦量值呈現(xiàn)不斷減小的變化規(guī)律。這一實(shí)測(cè)結(jié)果，與之前部分研究人員通過數(shù)值仿真方法所獲的葉尖渦擴(kuò)散規(guī)律[20-21]存在明顯的差異性。

2）偏航角恒定時(shí)，隨著接入負(fù)載的增加（引起葉片轉(zhuǎn)速的增大），葉尖渦最大渦量值相應(yīng)增大，且渦量最大值點(diǎn)會(huì)提前出現(xiàn)，這表明接入負(fù)載（即轉(zhuǎn)速）的增加會(huì)促使葉尖渦從葉片脫落到與周圍流場(chǎng)混合的過程縮短，卷入葉尖周圍渦量的能力增強(qiáng)；且隨偏航角的增加，葉尖渦最大渦量值相應(yīng)減小，最大渦量值點(diǎn)提前出現(xiàn)的趨勢(shì)更加明顯。

為了進(jìn)一步分析葉尖渦在傳播過程中的耗散速率，作如下定義

式中表示葉尖渦渦量值沿風(fēng)輪軸向的耗散速率，以圖4為例，max表示渦量云圖上最大渦量值，max,80表示渦量云圖上橫坐標(biāo)為80 mm的豎線上的最大渦量值，max表示max點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值。

以來流風(fēng)速為9 m/s時(shí)為例，葉尖渦渦量值沿風(fēng)輪軸向的耗散速率隨接入負(fù)載和偏航角的變化如表2所示。

表2 來流風(fēng)速為9 m·s-1時(shí)，葉尖渦耗散速率隨負(fù)載和偏航角的變化

由表2中數(shù)據(jù)分析可知：偏航角恒定時(shí)，隨接入負(fù)載（即轉(zhuǎn)速）的增大，葉尖渦軸向耗散速率逐漸增大，分析其成因?yàn)椋弘S著葉片轉(zhuǎn)速的增加，葉尖渦向風(fēng)輪外側(cè)的徑向位移不斷增大，尾跡膨脹加劇，渦流誘導(dǎo)效應(yīng)區(qū)半徑擴(kuò)大，從而加劇了外部流場(chǎng)與葉片尾跡間的摻混效應(yīng)，由此葉尖渦的耗散速率增大。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，從整體上看，葉尖渦軸向耗散速率隨著偏航角的增大逐漸減小，分析其成因?yàn)椋浩叫袨闀?huì)阻礙葉尖渦向風(fēng)輪外側(cè)的擴(kuò)散，使尾跡向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)收縮，從而減緩了外部流場(chǎng)與尾跡間的摻混效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致葉尖渦的耗散速率減小。

4 結(jié) 論

1）本文提出了葉尖渦運(yùn)動(dòng)軌跡傾角的定義方法，該方法可以較好地描述葉尖渦的輸運(yùn)特征。

2）葉尖渦從葉片脫落后，其渦量值呈先增大后減小的規(guī)律，且隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的增加，渦量值最大點(diǎn)會(huì)提前出現(xiàn)。同時(shí)，隨著偏航角的增大，渦量值最大點(diǎn)提前出現(xiàn)的趨勢(shì)會(huì)隨之加劇。

3）隨著偏航角增大，葉片尾跡流場(chǎng)會(huì)相應(yīng)收縮，且收縮程度會(huì)隨著偏航角的增大而增強(qiáng)，葉片旋轉(zhuǎn)速度的增加可以緩減這一趨勢(shì)。

4）偏航角一定時(shí)，葉尖渦軸向耗散速率會(huì)隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的增加而變大；從整體上看，當(dāng)發(fā)電機(jī)接入負(fù)載一定時(shí)，該耗散速率會(huì)隨著偏航角的增大而逐漸變小。

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Effects of yaw on wake expansion and tip-vortex dissipation of wind turbine blades based on high-frequency PIV

Ma Jianlong1,2, Li Xuebin1, Lü Wenchun1,3, Huo Dehao1, Wu Yuqing1, Wang Jianwen1,2

(1.,,010051,; 2.010051,; 3.,010070,)

The complex spatial vortices are generated when the airflow passes through the high-speed rotating blades. The generation, growth and expansion of vortices is not only an important basis for analyzing the structural characteristics of the blade wake flow field, but also a key problem for accurately grasping the wake flow resistance, aerodynamic noise and vibration inducement of downstream wind turbines. Therefore, it is of great value to carry out relevant research work. As the junction between wake flow field and external flow field, tip vortices' propagation characteristics are an important basis for analyzing the structure of wake flow field and an important topic that researchers have always paid close attention to. However, due to the lag of research and development of high-speed flow field monitoring equipment and insufficient attention paid by previous researchers to yaw conditions, the relevant research is still in its infancy, which leads to the uncertainty of the sensitivity of blade wake expansion to tip vorticity dissipation, and the influence of yaw behavior on the structure characteristics of wake flow field is still not clear. In particular, the regularity and mechanism of its influence on the generation and dissipation of tip vortices remain to be revealed. In order to reveal the response characteristics of blade wake structure with yaw angle, an experimental test on the near wake flow field characteristics of a small horizontal axis wind turbine with a diameter of 1.4 m was carried out using the high frequency PIV flow field measurement device, which investigated the correlations and correlations between wake expansion, tip vortex dissipation and incoming wind velocity, access load (i.e. blade velocity) and yaw angle. The results showed that, in the non-yaw state, with the increase of generator load, the trend of wake flow expanding towards the outside of wind turbine became larger, and the mixing effect between the outside flow field and wake flow field intensified, which led to the acceleration of the dissipation rate of tip vortices. The yaw behavior made the wake flow field shrink to the inside of the wind turbine, and the shrinkage rate increased with the increase of yaw angle. At this time, the mixing effect between the outer flow field and the wake flow field was weakened, which led to the decrease of tip vortex diffusion rate. The test results also showed that in the initial stage of tip vortex shedding, there was a regular change of vorticity value which increases first and then decreases. The discovery provided an exact answer to the controversy that the variation of tip vorticity value obtained by numerical simulation was not the same. At the same time, in yaw condition, the increase of blade velocity would cause the maximum vorticity point to appear ahead of time, and the trend would be aggravated with the increase of yaw angle. In this paper, the characteristics of wake expansion and tip eddy dissipation of blades were revealed by means of experimental measurements. Relevant results have important reference value for the further study of the wake structure and transport law of blades.

wind turbines; computer simulation; yaw angle; blade; wake expansion; tip-vortex dissipation; high-frequency PIV

2018-11-24

2019-05-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51466012），內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校青年科技英才支持計(jì)劃（NJYT-17-B24），內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（NJZY18271、19270）

馬劍龍，副教授，博士，主要從事風(fēng)能開發(fā)利用研究。Email：ma_jianlong@yeah.net

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.007

TK83

A

1002-6819(2019)-11-0057-06

馬劍龍，李學(xué)彬，呂文春，霍德豪，吳雨晴，汪建文. 基于高頻PIV的偏航對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片尾跡膨脹和葉尖渦耗散影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(11)：57－62. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.007 http://www.tcsae.org

Ma Jianlong, Li Xuebin, Lü Wenchun, Huo Dehao, Wu Yuqing, Wang Jianwen. Effects of yaw on wake expansion and tip-vortex dissipation of wind turbine blades based on high-frequency PIV[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 57－62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.007 http://www.tcsae.org