一种用于风洞实验的测量风力机尾流的预测方法及测试装置

本发明涉及风洞试验及风力尾流测试领域，特别涉及一种用于风洞实验的风力机尾流预测方法。

背景技术：

1、风能是一种零排放的能源形式，通过发电过程不会产生污染物和温室气体的排放，相较于传统的煤炭和天然气等化石燃料发电方式，风能发电能够显著降低对环境的污染，对改善大气质量和减少碳排放具有重要意义。风能作为一种再生能源拥有广泛的分布，不同地区都存在着丰富的风能资源。相比于化石燃料的有限性，风能可以实现地理上的分散利用，减少对资源集中地区的依赖，提高能源的稳定性和可持续性。风洞实验是研究流体力学中相当重要的实验方法，用于模拟真实环境中的流体流动情况。风洞实验可以比较准确地控制实验条件，实验在室内进行，受气候条件和时间的影响小，模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便。

2、尾流研究对于风力机布局设计、效率提升和风场利用具有重要意义。对于风力机尾流模型的构建，主要采用风洞实验和数值模拟这两种方法。其中风洞实验的使用更为普遍，对环境条件的控制比较精准，但是测量的空间和雷诺数范围受到多方面因素的制约。为了预测出风力机尾流模型，目前方法也有很多，但是对于风洞实验中尾流模型的预测比较少，预测可以检验风洞实验的正确性。因此，通过某种方法来预测尾流模型可以提高风洞实验的正确性，避免实验产生问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术提供一种风洞实验的测量风力机尾流的预测方法及测试装置，可以精确测量风洞实验下测试风力机尾流的风速损失情况，较为准确的拟合出风力机尾流模型。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于风洞实验的测量风力机尾流的预测方法，包括以下步骤：

3、步骤1)三维建模软件对用于风洞实验的风力机尾流装置进行建模，依次进行直流电机支架、支撑底板、五孔测针支撑架、塔架和旋转风轮建模，并利用三维打印机进行三维打印，并组装测试风力机；

4、步骤2)将风力机风轮直径、风力机尾流区域距离、风力机竖直方向高度位置、推力系数和尾流膨胀率进行记录，并通过运算，得到风力机尾流区域不同距离的尾流模型；

5、步骤3)搭建用于风洞实验的测试风力机尾流装置，在风洞试验段底部搭建支撑底板，将测试风力机固定在支撑底板上；

6、步骤4)设备安全性检查包括：连接支撑板和风洞底面的螺栓是否拧紧；风力机是否固定安装；压力扫描阀是否能正常运行，确保每条管道都保持通畅无堵塞情况；确保风洞内部清洁；

7、步骤5)将五孔测针固定在五孔测针支撑架上，并将五孔测针尾部五根压力引出管连接到压力扫描阀上；检查仪器是否连接牢固，压力引出管的气密性是否符合要求；

8、步骤6)启动风洞，调节风洞主机的电机频率以获得需要的稳定入流风速；调节测试风力机所连接电路参数获得设定转速，依次采集不同转速下基准测试风力机的推力，完成后关闭风洞；

9、步骤7)处理五孔测针得到的压力数据，计算出总压、静压、尾流风速；

10、步骤8)通过改变五孔测针安装位置以调整测点，重复步骤4)至步骤6)，完成风力机尾流不同距离风速的测量；所述测点分布在风力机尾流区域两倍风轮直径到十二倍风轮直径区域内，相邻测点之间直线距离至少为0.5倍风轮直径；

11、步骤9)数据处理，计算各工况下风力机尾流数据，分析不同工况下风力机尾流模型。

12、作为本技术方案的进一步改进，步骤2)中包括如下子步骤：

13、步骤2.1)采用高斯计算模型，并运用质量守恒和动量守恒思想建立公式，通过式(1)计算出尾流膨胀系数k：

14、k＝0.5/ln(h/z0)  (1)

15、式(1)中，z0为风洞实验室获取试验段表面粗糙度，h为风力机轮毂高度；

16、步骤2.2)将测试风力机风轮直径、测点在尾流后距离、风力机高度位置、推力系数、尾流膨胀系数输入到预测模型中，得到在风洞实验缩尺的风力机尾流区域不同距离的尾流模型，通过式(2)计算出尾流损失：

17、

18、式(2)中，y为风力机竖直方向高度，d为风力机风轮直径，x为风力机尾流区域距离，ct为推力系数，u为速度损失，a为推力系数修正，b为尾流扩散系数。

19、作为本技术方案的进一步改进，步骤5)中五孔测针上五个感受孔的压力分别为p1、p2、p3、p4和p5，实验前确保p4＝p5以保证五孔测针正对来流方向，通过式(3)计算出角度校正数kα：

20、

21、对照五孔测针仪器校正系数表格，得到总压校正系数k2、动压校正系数k3-k1和k2-k4的值。

22、作为本技术方案的进一步改进，步骤7)中，根据得到的总压校正系数k2、动压校正系数k3-k1和k2-k4，通过式(4)计算出尾流风速v：

23、

24、式(4)中，g为重力加速度，ps为来流静压，pa为当地大气压，p0为总压，γ为空气的重度。

25、本发明的目的另一方面是这样实现的：一种用于风洞实验的测量风力机尾流的测试装置，包括搭建在风洞试验段底部的支撑底板和设置在支撑底板上的塔架，所述塔架上设置有直流电机支架，所述直流电机支架上设置有直流电动机，所述直流电动机用于驱动旋转风轮，在所述旋转风轮后方放置有可移动的五孔测针，所述五孔测针设置在支撑架上，所述五孔测针尾部通过压力引出管与压力扫描阀连接。

26、作为本发明的进一步限定，所述支撑底板包括由下至上渐缩设置的坡面底板和设置在坡面中心处的套筒，所述套筒的内径与塔架的外径适配。

27、作为本发明的进一步限定，所述旋转风轮的叶片采用厚度为21％的dtu221翼型截面，所述旋转风轮的轮毂处设置有凹槽，所述直流电动机输出轴与凹槽卡合连接。

28、作为本发明的进一步限定，所述五孔测针包括球面结构的头部和五个感受孔，任一所述感受孔设置在头部的中心处，其余所述感受孔呈环形均匀分布在中心感受孔周围。

29、本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，有益效果：本发明摒弃了传统的热线风速仪和排管的测法，采用五孔测针来采集风力机尾流数据，更能完整准确的测量出风力机尾流损失；本发明测试装置结构简单，可有效地消除风机叶片对测试产生的遮挡作用，同时，整个装置长度还可消除风轮对来流的阻塞作用，实现对气流的精确测量；对于空间气流测量来说，只需添加校正系数在实验中确保其正对来流就可以进行测量结果的计算，操作简洁方便，所得结果便于处理，且相对于另外两种测法来说，五孔测针更不容易损坏，降低了实验成本；本测试方法适用于风洞实验中的各种不同风力机模型的尾流模型预测，且对不同来流工况都能进行合理预测，确保了实验结果的正确性，对风洞实验提供参照。

技术特征：

1.一种用于风洞实验的测量风力机尾流的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验的测量风力机尾流的预测方法，其特征在于，步骤2)中包括如下子步骤：

3.根据权利要求1所述的一种用于风洞实验的测量风力机尾流的预测方法，其特征在于，步骤5)中五孔测针上五个感受孔的压力分别为p1、p2、p3、p4和p5，实验前确保p4＝p5以保证五孔测针正对来流方向，通过式(3)计算出角度校正数kα：

4.根据权利要求3所述的一种用于风洞实验的测量风力机尾流的预测方法，其特征在于，步骤7)中，根据得到的总压校正系数k2、动压校正系数k3-k1和k2-k4，通过式(4)计算出尾流风速v：

5.采用如权利要求1-4任一项所述用于风洞实验的测量风力机尾流的预测方法的测试装置，其特征在于，包括搭建在风洞试验段底部的支撑底板和设置在支撑底板上的塔架，所述塔架上设置有直流电机支架，所述直流电机支架上设置有直流电动机，所述直流电动机用于驱动旋转风轮，在所述旋转风轮后方放置有可移动的五孔测针，所述五孔测针设置在支撑架上，所述五孔测针尾部通过压力引出管与压力扫描阀连接。

6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述支撑底板包括由下至上渐缩设置的坡面底板和设置在坡面中心处的上套筒，所述上套筒的内径与塔架的外径适配。

7.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述旋转风轮的叶片采用厚度为21％的dtu221翼型截面，所述旋转风轮的轮毂处设置有凹槽，所述直流电动机输出轴与凹槽卡合连接。

8.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述五孔测针包括球面结构的头部和五个感受孔，任一所述感受孔设置在头部的中心处，其余所述感受孔呈环形均匀分布在中心感受孔周围。

技术总结本发明公开了一种用于风洞实验的测量风力机尾流的预测方法及测试装置，包括以下步骤：1）三维建模软件对测试装置进行建模；2）预测测试风力机尾流模型；3）搭建用于风洞实验的风力机尾流测量的装置；4）设备安全性检查；5）获得设定风速；6）使用五孔测针采集不同转速下风力机的尾流风速、总压、静压；7）完成风力机尾流损失曲线；8）数据处理。本发明可以精确采集各种风速下测试风力发电机不同位置尾流风速数据情况，较为准确地拟合出风力机尾流模型。技术研发人员：杨华,陈子丰,杨俊伟,王相军受保护的技术使用者：扬州大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5