叶尖小翼对水平轴风力机尾迹恢复的影响

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151100138（硕士学位论文学生类别：全日制学术型硕士研究生学科名称：动力工程及工程热物理论文题目：叶尖小翼对水平轴风力机尾迹恢复的影响英文题目：EffectofWingletontheRecoveryofHorizontalAxisWindTurbineWake学生姓名：刘钊导师姓名：东雪青副教授二○一八年六月I内蒙古工业大学硕士学位论文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

2、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

3、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

4、，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

5、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

6、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。I内蒙古工业大学硕士学位论文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”

7、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。关键词：水平轴风力机；高频PIV；小翼；翼型：尾迹恢复II内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractInactualwindfarms,duetotheexistenceofwakeeffects

8、,theoverallpowergenerationefficiencyofthewindfarmisweakened.Inordertoarrangemorewindturbinesandincreasepowergenerationefficiencywithinalimitedareaofland,thispaperfocusontheimpactof