摘 要：開發(fā)一種基于動(dòng)態(tài)格柵的湍流風(fēng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法和裝置，并通過調(diào)節(jié)格柵運(yùn)動(dòng)參數(shù)和來流風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流風(fēng)特征參數(shù)的定量調(diào)控。實(shí)驗(yàn)分別研究羅斯貝數(shù)Ro、格柵雷諾數(shù)ReM、格柵運(yùn)動(dòng)角加速度α、格柵運(yùn)動(dòng)周期長度T對(duì)湍流參數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，湍流參數(shù)僅對(duì)羅斯貝數(shù)敏感，平均風(fēng)速與湍流度均隨羅斯貝數(shù)增加而增大，而湍流積分尺度則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。綜合實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)，得到湍流強(qiáng)度可調(diào)節(jié)范圍為0.05～0.39，湍流積分尺度可調(diào)節(jié)范圍為0.15～1.56 m，適用于縮尺比1∶20～1∶1200范圍的風(fēng)電機(jī)組模型實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；風(fēng)洞；湍流；動(dòng)態(tài)格柵；湍流積分尺度

中圖分類號(hào)：TK83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1007

文章編號(hào)：0254-0096（2024）08-0587-08

1. 華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；

2. 華北電力大學(xué)新能源學(xué)院，北京 102206；

3. 中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 100031

0 引 言

大氣湍流作為大氣中一種重要的運(yùn)動(dòng)形式，具有時(shí)間上非定常、空間中非均勻的復(fù)雜特性，這嚴(yán)重影響著風(fēng)電機(jī)組的尾流分布［1］、疲勞載荷以及出力特性［2］等。同時(shí)在自然環(huán)境中，湍流風(fēng)參數(shù)無法調(diào)控、不具有重復(fù)性，只能通過長時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析湍流風(fēng)特性，因此對(duì)自然湍流風(fēng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M成為研究湍流風(fēng)參數(shù)影響作用的重要手段。

目前風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)手段模擬湍流風(fēng)的方法可分為被動(dòng)模擬和主動(dòng)模擬兩種。被動(dòng)法一般通過向風(fēng)洞中布置可對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生阻塞或擾動(dòng)作用的尖劈、粗糙元等裝置來改變流場(chǎng)原來的流動(dòng)特征，用于產(chǎn)生湍流的能量完全來源于原來的流場(chǎng)，包括固定格柵法［3］、變間距平板法［4］、尖劈粗糙元法［5］等。目前應(yīng)用較為廣泛的湍流模擬裝置是尖劈粗糙元法，通過在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)入口段安裝一排尖劈并在其后安裝多個(gè)粗糙元，可較為良好地模擬預(yù)期湍流。因?yàn)榧馀植谠哂兄圃旌?jiǎn)單、易操作的特點(diǎn)，所以自從該方法在1969年被提出［6］后，便涌現(xiàn)出諸多相關(guān)研究與應(yīng)用。但對(duì)于產(chǎn)生具有不同尺度的湍流風(fēng)，尖劈與粗糙元的設(shè)置將變得較為困難，且作為被動(dòng)法的一種，尖劈粗糙元法很難將湍流特性參數(shù)進(jìn)行解耦控制，這給利用尖劈粗糙元法來模擬湍流風(fēng)帶來了困難。

利用主動(dòng)法來模擬湍流風(fēng)的主要手段有變頻調(diào)速風(fēng)扇陣列法［7］、振動(dòng)尖劈［8］、振動(dòng)翼柵法［9］以及動(dòng)態(tài)格柵法。變頻調(diào)速風(fēng)扇法通過在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段內(nèi)加入由可獨(dú)立變頻控制的風(fēng)扇組成的風(fēng)扇陣列裝置，從而控制流場(chǎng)來產(chǎn)生預(yù)期湍流。振動(dòng)翼柵通過控制縱橫布置的平板翼柵振動(dòng)頻率與幅值來實(shí)時(shí)改變相鄰翼柵之間的間距，并向流場(chǎng)中注入垂直于流向的擾動(dòng)能量來模擬湍流。動(dòng)態(tài)格柵與振動(dòng)翼柵的不同之處在于動(dòng)態(tài)格柵通過若干相互獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)帶動(dòng)格柵旋轉(zhuǎn)，具有可調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)遠(yuǎn)多于振動(dòng)格柵的特點(diǎn)，這大大增加了實(shí)驗(yàn)中可控制的自由度數(shù)量，拓展了格柵可調(diào)參數(shù)區(qū)間范圍，所以動(dòng)態(tài)格柵在模擬多尺度、高湍流強(qiáng)度的湍流風(fēng)方面會(huì)有更好的性能和優(yōu)勢(shì)。

1991年至今，許多研究團(tuán)隊(duì)使用不同的動(dòng)態(tài)格柵和不同的控制模式來控制湍流條件。最常見的動(dòng)態(tài)格柵類型是“Makita”［10］式動(dòng)態(tài)格柵，采用由5個(gè)水平軸和7個(gè)垂直軸組成的格柵軸數(shù)為5×7的格柵，菱形格柵片通過螺釘緊固在轉(zhuǎn)軸上，與傳統(tǒng)的固定格柵相比可在小風(fēng)洞內(nèi)產(chǎn)生較高湍流度的湍流風(fēng)。Poorte等［11］將動(dòng)態(tài)格柵控制模式分為同步模式、單隨機(jī)模式以及雙隨機(jī)模式3種。同步模式下，每個(gè)軸以相同的固定轉(zhuǎn)速恒定轉(zhuǎn)動(dòng)；單隨機(jī)模式下，每個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)周期會(huì)在隨機(jī)分布函數(shù)選取而轉(zhuǎn)速保持恒定不變；雙隨機(jī)模式下，旋轉(zhuǎn)周期與轉(zhuǎn)速都是隨機(jī)變化的。實(shí)驗(yàn)表明隨機(jī)模式較同步模式可產(chǎn)生湍流度與積分尺度更大的湍流風(fēng)。Mydlarski［12］在0.4 m×0.4 m的小型風(fēng)洞中通過7×7格柵軸數(shù)的格柵探究了湍流風(fēng)特性參數(shù)隨湍流雷諾數(shù)的演變規(guī)律，采用單隨機(jī)格柵運(yùn)動(dòng)模式產(chǎn)生了湍流度范圍為2.0%～9.5%、湍流積分尺度最大值為0.148 m的湍流。Shet等［13］利用10×10格柵軸數(shù)的動(dòng)態(tài)格柵研究了格柵控制模式中單隨機(jī)模式與雙隨機(jī)模式對(duì)湍流特征參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在雙隨機(jī)模式下產(chǎn)生的流場(chǎng)參數(shù)覆蓋范圍較單隨機(jī)模式更廣，并產(chǎn)生了湍流度和積分尺度最大值分別為11.8%和0.18 m的湍流風(fēng)。在此之后大多研究均采用雙隨機(jī)模式以模擬湍流風(fēng)。

但隨著湍流風(fēng)研究的發(fā)展以及工程技術(shù)要求的提高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明小尺寸風(fēng)洞以及較小格柵軸數(shù)的格柵已不能滿足在風(fēng)洞中模擬各類地形大氣湍流風(fēng)的需求。Neuhaus等［14］在3 m×3 m的風(fēng)洞中，采用20×20格柵軸數(shù)的中心線分割動(dòng)態(tài)格柵，同時(shí)配合風(fēng)洞電機(jī)激勵(lì)控制產(chǎn)生了最大積分尺度值較風(fēng)洞展向尺度大一個(gè)數(shù)量級(jí)的湍流。

可見，各研究團(tuán)隊(duì)選用不同軸數(shù)動(dòng)態(tài)格柵以及不同控制方案所模擬的湍流風(fēng)強(qiáng)度越來越高，在積分尺度上也已達(dá)百米級(jí)［14］，但不同格柵及控制方案下所模擬湍流風(fēng)特性各不相同。如Hearst等［15］實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)湍流度不隨格柵雷諾數(shù)變化而變化，但Larssen等［16］實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明湍流度隨格柵雷諾數(shù)增大而增大。同時(shí)在相同格柵尺寸歸一化下游位置處，文獻(xiàn)［16］所測(cè)湍流積分尺度較文獻(xiàn)［15］大二倍之多，由此可見格柵參數(shù)對(duì)湍流風(fēng)的影響規(guī)律尚未得到一致的結(jié)論。

1 動(dòng)態(tài)格柵裝置及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 風(fēng) 洞

本文所開發(fā)的動(dòng)態(tài)格柵裝置在華北電力大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行應(yīng)用和驗(yàn)證，該風(fēng)洞為回流式風(fēng)洞，外觀如圖1所示，風(fēng)洞截面為3 m×3 m，實(shí)驗(yàn)段長度為20 m。

1.2 動(dòng)態(tài)格柵裝置結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)格柵安裝在風(fēng)洞收縮段出口與實(shí)驗(yàn)段入口之間，主要由格柵軸、格柵片、支撐框架及步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)組成，裝置示意圖如圖2a所示。通過控制格柵片以設(shè)定的模式轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)風(fēng)洞來流產(chǎn)生隨機(jī)擾動(dòng)，來流沿風(fēng)洞下游發(fā)展從而形成湍流風(fēng)。

動(dòng)態(tài)格柵裝置橫截面積為3 m×3 m，由24根水平軸與24根豎直軸組成，緊固在轉(zhuǎn)軸上的格柵片對(duì)角線長度[M=12 cm]，在格柵片全開狀態(tài)下的整體堵塞度為17.67%。每根格柵軸都由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立控制，軸的另一端裝有實(shí)現(xiàn)格柵自動(dòng)回零功能的光電傳感器與遮光擋片，格柵機(jī)械部分局部細(xì)節(jié)如圖2b所示。

1.3 流場(chǎng)測(cè)量?jī)x器

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的測(cè)量?jī)x器選用DantesDynamics公司生產(chǎn)的MiniCTA型高精度熱線風(fēng)速測(cè)量?jī)x，測(cè)量探針為55P11型一維熱線探針，其最大采樣頻率可達(dá)100 kHz。本實(shí)驗(yàn)的風(fēng)速采樣頻率為20 kHz。

同時(shí)為研究流場(chǎng)參數(shù)的空間分布特性，將熱線探針固定在二維掃描支架上，如圖3所示，掃描支架可使探針在風(fēng)洞展向與垂向位置上自動(dòng)移動(dòng)到設(shè)定點(diǎn)位，既能增加測(cè)量點(diǎn)位精度又可提高實(shí)驗(yàn)效率。

2 湍流特性參數(shù)及格柵控制方法

2.1 湍流特性參數(shù)計(jì)算方法

評(píng)價(jià)湍流特性的參數(shù)主要有平均風(fēng)速U、湍流度[Tu]、湍流積分尺度。

[U=1Ni=1Nui] （1）

[N=ft] （2）

[Tu=u′U] （3）

式中：[N]——單次測(cè)量的總采樣點(diǎn)數(shù)；[u]——探針測(cè)得的瞬時(shí)速度，m/s；[f]——采樣頻率，Hz，本實(shí)驗(yàn)采樣頻率為20 kHz；[t]——采樣時(shí)間，s；[u′]——脈動(dòng)風(fēng)速的均方根值，m/s。

空間一點(diǎn)的湍流積分尺度共有9個(gè)，流向、縱向和垂向的3個(gè)風(fēng)速各有3個(gè)方向的積分尺度。本文僅考慮流向風(fēng)速沿流向的湍流積分尺度[Lx]。根據(jù)泰勒“凝固湍流”的假設(shè)計(jì)算：

[Lx=Uσ2u0∞Ru（τ）dτ] （4）

通常當(dāng)自相關(guān)系數(shù)很小時(shí)，泰勒假設(shè)引起的誤差會(huì)增大，F(xiàn)lay等［17］認(rèn)為式（4）的積分上限取到[Ru（τ）]=0.05[σ2u]為最佳。

2.2 格柵控制方法

動(dòng)態(tài)格柵通過控制格柵片，對(duì)風(fēng)洞來流產(chǎn)生隨機(jī)擾動(dòng)，進(jìn)而向下游發(fā)展形成空間均勻的湍流風(fēng)，瞬時(shí)風(fēng)速具有湍流風(fēng)的隨機(jī)特性。因此，格柵控制方法需滿足隨機(jī)性。本文采取Larssen等［16］提出的格柵雙隨機(jī)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，格柵轉(zhuǎn)速[Ω]以及旋轉(zhuǎn)周期[T]都是由高斯隨機(jī)函數(shù)選取，如式（5）及式（6）所示。

[Ω=f（x）=12πκexp-（x-Ω）22κ2] （5）

[T=g（x）=12πηexp-（x-T）22η2] （6）

式中：[Ω]——格柵轉(zhuǎn)速[Ω]的均值，r/s；[T]——旋轉(zhuǎn)周期[T]的均值，s；[κ2]——格柵轉(zhuǎn)速[Ω]的方差，r2/s2；[η2]——旋轉(zhuǎn)周期T的方差，s2。

該方法可控制格柵以[Ω]為平均值、[κ2]為方差的隨機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)。所有軸均按照高斯隨機(jī)分布獨(dú)立運(yùn)動(dòng)且互不影響，呈現(xiàn)出一種充分隨機(jī)的狀態(tài)。圖4a為在風(fēng)洞中心點(diǎn)位以20 kHz頻率測(cè)得的52 s內(nèi)的風(fēng)速時(shí)間歷程，圖4b為對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)風(fēng)速功率譜。

由圖4a可看出在52 s時(shí)間跨度內(nèi)，風(fēng)速在4～12 m/s大范圍內(nèi)波動(dòng)，同時(shí)在隨機(jī)選取的5 s小跨度時(shí)間內(nèi)可清晰看出風(fēng)速隨時(shí)間的隨機(jī)波動(dòng)性極強(qiáng)且無明顯規(guī)律，證明了格柵隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的有效性；圖4b表明隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所模擬的湍流風(fēng)在慣性子區(qū)間滿足[k]的-5/3冪次律，也保證了湍流風(fēng)模擬結(jié)果的有效性。

隨機(jī)選取某一實(shí)驗(yàn)工況下格柵的部分隨機(jī)運(yùn)動(dòng)歷程，其實(shí)時(shí)角度及轉(zhuǎn)速示意圖如圖5a與圖5b所示，因加速時(shí)間很短，圖5中未展示加速時(shí)間區(qū)段。由圖5可看出相鄰軸的運(yùn)動(dòng)也是完全隨機(jī)的，各個(gè)軸的轉(zhuǎn)速與周期在時(shí)域內(nèi)隨機(jī)分布且互相獨(dú)立。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本文首先研究在風(fēng)洞中安裝格柵前后風(fēng)洞來流參數(shù)的變化，繼而在風(fēng)洞展向與垂向位置對(duì)動(dòng)態(tài)格柵尾流場(chǎng)的湍流參數(shù)空間均勻性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，最后從兩個(gè)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的動(dòng)態(tài)格柵尾流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：1）格柵控制參數(shù)對(duì)產(chǎn)生湍流特性的影響；2）在固定控制模式下產(chǎn)生的湍流隨下游發(fā)展的演化規(guī)律。

3.1 安裝格柵裝置前后來流參數(shù)的變化

由于安裝格柵后導(dǎo)致風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段入口堵塞度變大，為保證下游流場(chǎng)品質(zhì)以及特性參數(shù)不發(fā)生較大變化，需探究格柵靜態(tài)完全打開狀態(tài)下的流場(chǎng)相較未安裝時(shí)的變化。調(diào)整風(fēng)洞電機(jī)轉(zhuǎn)速在風(fēng)洞正中央位置點(diǎn)測(cè)得結(jié)果如圖6所示。

由圖6a可看出風(fēng)速較小時(shí)，裝格柵前后風(fēng)速損失波動(dòng)較大，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于70 r/min即風(fēng)速約為4.8 m/s后，風(fēng)速損失維持在約5%，滿足實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果。由圖6b可看出風(fēng)速較小時(shí)，裝格柵后湍流度明顯增大，但隨著風(fēng)速增大，這一差距迅速減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于130 r/min即風(fēng)速約為8 m/s后，湍流度變化穩(wěn)定在約1倍。本文實(shí)驗(yàn)工況所需電機(jī)轉(zhuǎn)速均在130 r/min以上，亦在可接受誤差范圍內(nèi)。故安裝格柵后靜態(tài)時(shí)對(duì)下游流場(chǎng)品質(zhì)以及特性參數(shù)的影響可忽略。

3.2 湍流參數(shù)沿風(fēng)洞展向與垂向位置分布的均勻性分析

本文在來流風(fēng)速[U∞=10] m/s以及格柵轉(zhuǎn)速[Ω=0.5] r/s的組合工況下，對(duì)風(fēng)洞流向位置[X/M=8.3]、69.2兩個(gè)特征截面的湍流參數(shù)均勻性進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7a與圖7b可看出各湍流參數(shù)沿風(fēng)洞展向位置基本保持恒定，數(shù)值波動(dòng)誤差為±3%，在可接受范圍內(nèi)認(rèn)為湍流參數(shù)不隨風(fēng)洞展向位置變化而變化。由圖7c與圖7d可知各湍流參數(shù)波動(dòng)誤差為±2%，均勻性較好，后續(xù)實(shí)驗(yàn)均以風(fēng)洞中心點(diǎn)[Y=Z=0] cm進(jìn)行測(cè)量與分析。

3.3 格柵控制參數(shù)對(duì)湍流特性的影響

決定格柵運(yùn)動(dòng)的控制參數(shù)有旋轉(zhuǎn)角加速度[α]，旋轉(zhuǎn)周期[T]，羅斯貝數(shù)[Ro]和格柵雷諾數(shù)[ReM]，其中：

[ReM=U∞Mν] （7）

[Ro=U∞MΩ] （8）

式中：[U∞]——格柵前的來流風(fēng)速，m/s；[M]——格柵的特征長度，m；[ν]——空氣的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s?？梢姼駯爬字Z數(shù)[ReM]表征的是格柵的來流風(fēng)速大小，而羅斯貝數(shù)[Ro]表征的是每個(gè)格柵片的葉尖速比。

3.3.1 角加速度[α]與旋轉(zhuǎn)周期[T]對(duì)湍流參數(shù)的影響規(guī)律

在風(fēng)洞流向位置[X/M=69.2]、來流風(fēng)速[U∞=10] m/s以及轉(zhuǎn)速[Ω=0.5] r/s的工況下進(jìn)行了角加速度[α]與旋轉(zhuǎn)周期[T]對(duì)湍流參數(shù)的影響研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可看出，湍流參數(shù)不依賴于格柵旋轉(zhuǎn)角加速度以及旋轉(zhuǎn)周期的變化，可視為影響湍流特性參數(shù)的無關(guān)變量，后續(xù)工況均選取加速時(shí)長為0.1 s、高斯平均旋轉(zhuǎn)周期為3 s來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.3.2 羅斯貝數(shù)[Ro]與格柵雷諾數(shù)[ReM]對(duì)湍流參數(shù)的影響規(guī)律

在風(fēng)洞流向位置X/M=69.2、格柵雷諾數(shù)[ReM=81500]的工況下進(jìn)行了[Ro]對(duì)湍流參數(shù)的影響規(guī)律研究，同時(shí)在相同流向位置以及[Ro=59]的工況下進(jìn)行[ReM]對(duì)湍流參數(shù)的影響規(guī)律研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9a可看出，隨著羅斯貝數(shù)[Ro]增大，湍流度隨[Ro]增加而迅速增大。湍流積分尺度隨[Ro]呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在[Ro=60]左右，湍流積分尺度取到實(shí)驗(yàn)最小值0.42 m。

由圖9b可看出平均風(fēng)速隨格柵雷諾數(shù)[ReM]增大呈線性增加趨勢(shì)，這是由于格柵雷諾數(shù)本身就是來流風(fēng)速大小的度量，同時(shí)湍流度和湍流積分尺度均未呈現(xiàn)明顯變化趨勢(shì)，亦可將視為[ReM]影響湍流特性參數(shù)的無關(guān)變量。由圖9a與圖9b可看出可實(shí)現(xiàn)平均風(fēng)速與湍流度的解耦控制。

3.4 湍流參數(shù)及脈動(dòng)風(fēng)功率譜隨流向位置的演化規(guī)律

3.4.1 湍流參數(shù)隨流向位置的演化規(guī)律

以格柵尺寸[M=12] cm為歸一化參數(shù)，測(cè)量6個(gè)流向位置中心點(diǎn)的湍流參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

由圖10a與圖10b中可看出，隨著羅斯貝數(shù)的增大，平均風(fēng)速在逐步增加。湍流度沿流向呈先急劇下降的趨勢(shì)，后隨著流向距離的增加而逐漸變緩，同時(shí)隨著羅斯貝數(shù)的增加，湍流強(qiáng)度在各流向位置也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這一結(jié)果與3.1.3節(jié)的結(jié)論一致。

由圖10c可看出湍流積分尺度在各Ro工況下沿流向均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，同時(shí)隨著Ro增加，增長趨勢(shì)變得愈發(fā)不明顯，這說明格柵轉(zhuǎn)速越小，其產(chǎn)生的湍流場(chǎng)中各種渦平均尺度的增長趨勢(shì)越不明顯，在距格柵很近的流向位置就可達(dá)到充分發(fā)展的均勻湍流；相反則需要沿流向發(fā)展更長的距離才能達(dá)到均勻流動(dòng)狀態(tài)。

3.4.2 脈動(dòng)風(fēng)功率譜隨流向位置的演化規(guī)律

脈動(dòng)風(fēng)功率譜反映了湍流風(fēng)中不同尺度不同頻率的旋渦對(duì)湍流功率的貢獻(xiàn)。頻域內(nèi)功率譜可分為3個(gè)不同的區(qū)域，即含能區(qū)、慣性子區(qū)和耗散區(qū)。這些區(qū)域反映了信號(hào)在頻域上的特性和能量分布，其中在慣性子區(qū)分布應(yīng)符合Kolmogorov的[f-5/3]冪次律，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室所模擬湍流風(fēng)能量分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律與自然大氣湍流是否相似。以[Ro=335]工況為例，脈動(dòng)風(fēng)功率譜隨流向位置的變化如圖11所示。

圖11中實(shí)線表示沿流向的不同測(cè)量位置的功率譜，虛線為Kolmogorov的[-5/3]冪次曲線。由圖11可看出功率譜中的曲線會(huì)隨著流向位置的增加而向下偏移，即湍流能量與格柵距離呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的演化規(guī)律；沿流向位置功率譜密度曲線在2 Hz附近達(dá)到拐點(diǎn)，此區(qū)域?yàn)楣β首V的含能區(qū)，大尺度旋渦含有湍流的絕大部分能量，同時(shí)在慣性子區(qū)內(nèi)，能量逐漸衰減，呈現(xiàn)出平滑的、近似冪律的特性，符合Kolmogorov的[f-5/3]冪次律，結(jié)合3.1節(jié)表明本文采用的動(dòng)態(tài)格柵成功地模擬出了與大氣湍流特征參數(shù)相似的湍流風(fēng)。

3.5 動(dòng)態(tài)格柵湍流風(fēng)參數(shù)模擬范圍

本文實(shí)驗(yàn)通過改變多種格柵控制參數(shù)在沿風(fēng)洞流向的不同位置對(duì)動(dòng)態(tài)格柵所產(chǎn)生的湍流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并將各實(shí)驗(yàn)工況下的湍流特性參數(shù)湍流度和湍流積分尺度按風(fēng)洞流向位置分組繪制如圖12所示。

由圖12可看出湍流參數(shù)覆蓋范圍集中在湍流度0.05～0.39和湍流積分尺度0.15～1.56 m的區(qū)域內(nèi)，其中湍流度和湍流積分尺度最大值均在[X/M=8.3]流向位置取到，分別為0.39和1.56 m。

本文充分調(diào)研了中國各類地形的大氣湍流參數(shù)范圍［18-22］，得出各地形的大氣湍流的湍流度范圍為0.10～0.35、湍流積分尺度范圍為30～180 m。選取風(fēng)電機(jī)組葉片尺寸為特征長度，根據(jù)大氣湍流與風(fēng)洞湍流的相似性準(zhǔn)則確定并驗(yàn)證了本裝置適用于縮尺比為1∶20～1∶1200范圍內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組模型實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié) 論

本文提出一種基于動(dòng)態(tài)格柵的湍流風(fēng)模擬方法，并設(shè)計(jì)研制動(dòng)態(tài)格柵裝置，通過在風(fēng)洞中調(diào)節(jié)格柵運(yùn)動(dòng)參數(shù)和來流風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流風(fēng)特征參數(shù)的定量調(diào)控。

研究發(fā)現(xiàn)，羅斯貝數(shù)是調(diào)控湍流參數(shù)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而湍流參數(shù)對(duì)角加速度、旋轉(zhuǎn)周期、格柵雷諾數(shù)均不敏感。平均風(fēng)速與湍流度均隨羅斯貝數(shù)增加而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而湍流積分尺度隨羅斯貝數(shù)變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。湍流度沿流向呈先急劇下降后逐漸變緩的趨勢(shì)，湍流積分尺度沿流向呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

通過風(fēng)洞測(cè)試驗(yàn)證，本裝置可有效模擬湍流風(fēng)況，湍流度調(diào)節(jié)范圍是0.05～0.39，湍流積分尺度調(diào)節(jié)范圍是0.15～1.56 m，適用于縮尺比為1∶20～1∶1200范圍內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組模型實(shí)驗(yàn)。

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RESEARCH ON EXPERIMENTAL SIMULATION METHOD OF

TURBULENT WIND BASED ON ACTIVE GRID

Jin Ruiqi1，2，Wu Guangxing1，2，Wei Yonggang1，2，Zhang Hairui1，2，Li Xinkai3，Liu Yongqian1，2

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，

North China Electric Power University， Beijing 102206， China；

2. School of Renewable Energy， North China Electric Power University， Beijing 102206， China；

3. China Huaneng Group Clean Energy Technology Research Institute Company Limited， Beijing 100031， China）

Abstract：An experimental simulation method and device of turbulent wind based on active grid were developed. By adjusting the wind speed and grid motion parameters， the control of turbulent wind is realized. The effects of Rossby number Ro， grid Reynolds number ReM， grid motion angular acceleration α and grid motion period length T on turbulence parameters were studied. The results show that the turbulence parameters are most sensitive to Rossby number. The average wind speed and turbulence intensity increase with the increase of Rossby number， while the turbulence integral scale decreases first and then increases. Based on the experimental parameters， the adjustable range of turbulence intensity is 5%-39%， and the adjustable range of turbulence integral scale is 0.15-1.56 m， which is suitable for wind turbine model experiments with a scale ratio of 1∶20-1∶1200.

Keywords：wind power； wind tunnel； turbulence； active grid； turbulence integral scale