CN109751201B - 一种风力机涡尾迹修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力机测试技术领域，公开了一种风力机涡尾迹修正方法，通过获取风力机叶片数量、风轮半径、风轮转速和叶片弦长，根据风力机运行当地的主风向的风速、空气密度及空气粘度，确定风力机叶片的来流风速和迎角，计算涡尾迹形状，根据尾迹角区域使用不同涡核模型更加准确合理地描述尾迹流场。在初始尾迹角附近时，采用Scully涡模型；向前、向后的尾迹角范围，采用Lamb‑Oseen涡模型；根据流场尾迹角区域选用不同的有效粘性扩散因子。本发明根据尾迹流场时间历程和空间分布的差异，对一般涡尾迹计算的尾流模型进行修正，使涡尾迹计算的结果更合理、准确。

Description

一种风力机涡尾迹修正方法
技术领域
本发明涉及风力机测试技术领域，具体涉及一种风力机涡尾迹修正方法。
背景技术
风力机气动特性计算方法主要有三种：叶素动量理论、涡尾迹方法、计算流体力学方法。综合考虑方法的准确性和计算成本，涡尾迹方法更具优势，而且其本质上具有旋涡特性，能更准确地计及尾流场尾涡间相互诱导作用，是模拟风力机气动特性较为灵活的数值工具。
自由涡尾迹方法不需要流场的先验数据，直接通过解涡线控制方程得到尾迹结构，有较强的理论根据，是涡尾迹方法中应用最广泛的。自由涡尾迹方法中，涡线从叶片尾缘拖出流向下游，涡线的控制节点随当地流速自由移动，通过求解涡线控制方程得到最终的尾迹几何形状。
目前，一般采用自由涡尾迹建模计算风力机气动特性，尾迹形状的描述均是采用上述从叶片尾缘拖出自由移动至远场的方式。这些模型中涡尾迹的计算采用单一涡核模型，并根据某一固定的有效粘性扩散因子作为代表，风力机涡尾迹方法过于简化。因此亟需一种根据尾迹流场时间历程和空间分布的差异，对一般涡尾迹计算的尾流模型进行修正，使涡尾迹计算的结果更合理、准确。
发明内容
基于以上问题，本发明提供一种风力机涡尾迹修正方法，根据尾迹流场时间历程和空间分布的差异，对一般涡尾迹计算的尾流模型进行修正，使涡尾迹计算的结果更合理、准确。
为解决以上技术问题，本发明提供了一种风力机涡尾迹修正方法，包括如下步骤：
S1：获取风力机叶片数量、风轮半径、风轮转速和叶片弦长；
S2：根据风力机运行当地的主风向的风速、空气密度及空气粘度，确定风力机叶片的来流风速和迎角；
S3：计算涡尾迹形状，在初始尾迹角附近，尾迹角的范围为30°～320°采用Scully涡模型；尾迹角30°以前、320°以后尾迹角范围，采用Lamb-Oseen涡模型；
涡核模型计算诱导速度公式为：
Figure BDA0001971522390000021
其中r为风轮半径，Γ为涡强，rc为对应于周向诱导速度最大位置的涡核半径；n的取值为1或2；
S4：根据流场尾迹角区域选用不同的有效粘性扩散因子；计算涡周围的切向旋转速度，计算公式为：
Figure BDA0001971522390000022
rc为粘性核半径，
Figure BDA0001971522390000025
为用rc无量纲化的半径；rc随时间t变化关系为：
Figure BDA0001971522390000023
rc随尾迹角ζ变化关系为：
Figure BDA0001971522390000024
其中，γ为运动粘性系数，γ＝1.4607×10-5m2/s；α＝1.25643；δ为有效粘性扩散因子，其取值为从叶尖涡“卷起”阶段结束位置(尾迹角为240°)开始到其后120°范围，取值为0～2，尾迹角超过360°开始，增长到10以上；Ω为风轮旋转速度，r0为叶尖涡“卷起”阶段结束位置的初始涡核半径，ζ0为叶尖涡“卷起”阶段结束位置的尾迹角。
进一步地，步骤S4中的有效粘性扩散因子基于试验数据，具体来说是在流场中播撒示踪粒子，采用粒子图像测速仪(也即PIV)测量两幅间隔非常短的(通常为微秒量级)粒子图像，通过对图像进行互相关计算得到流场中的速度矢量分布，对其进行后处理得到有效粘性扩散因子的实际测量值或平均值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)根据尾迹角区域使用不同涡核模型更加准确合理地描述尾迹流场。在初始尾迹角附近时，采用Scully涡模型；向前、向后的一定尾迹角范围，采用Lamb-Oseen涡模型。
(2)根据流场尾迹角区域选用不同的有效粘性扩散因子，更准确地描述涡核内部涡量向外的输运。有效粘性扩散因子取值为从叶尖涡“卷起”阶段结束位置(尾迹角为240°)开始到其后120°范围，取值为0～2，尾迹角超过360°开始，增长到10以上。
(3)基于试验数据或根据试验规律确定的平均值，有效粘性扩散因子的量值具有充分依据。
附图说明
图1为实施例中风力机涡尾迹修正方法的流程图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
参见图1，一种风力机涡尾迹修正方法，包括如下步骤：
S1：获取风力机叶片数量、风轮半径、风轮转速和叶片弦长；
S2：根据风力机运行当地的主风向的风速、空气密度及空气粘度，确定风力机叶片的来流风速和迎角；
S3：计算涡尾迹形状，在初始尾迹角附近，尾迹角的范围为30°～320°采用Scully涡模型；尾迹角30°以前、320°以后尾迹角范围，采用Lamb-Oseen涡模型；
涡核模型计算诱导速度公式为：
Figure BDA0001971522390000031
其中r为风轮半径，Γ为涡强，rc为对应于周向诱导速度最大位置的涡核半径；n的取值为1或2，n＝1对应的是Scully涡核模型，n＝2时对应的是Lamb-Oseen涡核模型。
S4：根据流场尾迹角区域选用不同的有效粘性扩散因子；计算涡周围的切向旋转速度，计算公式为：
Figure BDA0001971522390000041
Figure BDA0001971522390000044
为用rc无量纲化的半径；rc为粘性核半径，rc随时间t变化关系为：
Figure BDA0001971522390000042
rc随尾迹角ζ变化关系为：
Figure BDA0001971522390000043
其中，γ为运动粘性系数，γ＝1.4607×10-5m2/s；α＝1.25643；δ为有效粘性扩散因子，其取值为从叶尖涡“卷起”阶段结束位置(尾迹角为240°)开始到其后120°范围，取值为0～2，尾迹角超过360°开始，增长到10以上；Ω为风轮旋转速度，r0为叶尖涡“卷起”阶段结束位置的初始涡核半径，ζ0为叶尖涡“卷起”阶段结束位置的尾迹角。
步骤S4中的有效粘性扩散因子基于试验数据，具体来说是在流场中播撒示踪粒子，采用粒子图像测速仪(也即PIV)测量两幅间隔非常短的(通常为微秒量级)粒子图像，通过对图像进行互相关计算得到流场中的速度矢量分布，对其进行后处理得到有效粘性扩散因子的实际测量值或平均值。
如上即为本发明的实施例，上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种风力机涡尾迹修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：获取风力机叶片数量、风轮半径、风轮转速和叶片弦长；
S2：根据风力机运行当地的主风向的风速、空气密度及空气粘度，确定风力机叶片的来流风速和迎角；
S3：计算涡尾迹形状，在初始尾迹角附近，尾迹角的范围为30°～320°采用Scully涡模型；尾迹角30°以前、320°以后尾迹角范围，采用Lamb-Oseen涡模型；
涡核模型计算诱导速度公式为：
Figure FDA0002457386550000011
其中r为风轮半径，Γ为涡强，rc为对应于周向诱导速度最大位置的涡核半径；n的取值为1或2，其中n＝1对应的是Scully涡核模型，n＝2时对应的是Lamb-Oseen涡核模型；
S4：根据流场尾迹角区域选用不同的有效粘性扩散因子；计算涡周围的切向旋转速度，计算公式为：
Figure FDA0002457386550000012
rc为粘性核半径，
Figure FDA0002457386550000013
为用rc无量纲化的半径；rc随时间t变化关系为：
Figure FDA0002457386550000014
rc随尾迹角ζ变化关系为：
Figure FDA0002457386550000015
其中，γ为运动粘性系数，γ＝1.4607×10-5m2/s；α＝1.25643；δ为有效粘性扩散因子，其取值为从叶尖涡“卷起”阶段结束位置开始到其后120°范围，取值为0～2，尾迹角超过360°开始，增长到10以上，其中叶尖涡“卷起”阶段结束位置对应的尾迹角为240°；Ω为风轮旋转速度，r0为叶尖涡“卷起”阶段结束位置的初始涡核半径，ζ0为叶尖涡“卷起”阶段结束位置的尾迹角。
2.根据权利要求1所述的风力机涡尾迹修正方法，其特征在于：步骤S4中的有效粘性扩散因子基于试验数据；取值计算依据是在流场中播撒示踪粒子，采用粒子图像测速仪测量两幅间隔非常短的粒子图像，通过对图像进行互相关计算得到流场中的速度矢量分布，对其进行后处理得到有效粘性扩散因子的实际测量值或平均值。
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