本研究调查了交叉流风力涡轮机周围的流动特性，进行了风洞实验(WTE)，以测量风力涡轮机在最佳槽道比λ=0.4下运行时的流动特性。此外，还进行了计算流体力学(CFD)模拟，以研究风力涡轮机在槽道比λ=0.1、0.4和0.7下的流场。CFD方法与WTE测量进行了验证，CFD结果证实，随着λ的增加，风轮回流面上风侧的速度亏损一般增加，而驱动面上风侧的速度缺损一般减少。同时还证实，随着λ的增加，风轮回流面上风侧的湍流动能一般增加，而驱动面上风侧的湍流动能一般减少。

交叉流风力涡轮机

一种带有交叉流叶轮的小型风力涡轮机（以下称为“交叉流风力涡轮机”）拥有高起动扭矩和静音的特点，因此适合在风速一般较低且需要特别注意降噪的城市地区推广使用。

然而，与其他小型风力涡轮相比，其最大功率系数非常低（约为10%），这是其缺点。

迄今为止，已有几项研究探讨了提高交叉流风力涡轮的效率的方法。

然而，对于交叉流风力涡轮机周围的流动特性知识非常有限。

因此，通过考虑流动特性，存在着极大的潜力来提高交叉流风力涡轮机的效率。

在本研究中，我们进行了计算流体力学（CFD）模拟和风洞实验（WTE），以阐明交叉流风力涡轮机周围的流动特性。

横流式风力涡轮机实验

下图展示了实验设置的示意图，该实验使用一个带有开放式试验段的闭路风洞进行。

风洞出口横截面的尺寸为1250毫米 1250毫米。

实验装置

测试中使用的交叉流风力涡轮机如下图所示，其外径为D = 80毫米，内径为d = 65毫米，侧向长度为L = 400毫米。

叶片的形状是一个半径为r = 11.5毫米、角度为θ = 114 和弦长为lc = 10.5毫米的圆弧，叶片的进气角度为β = 40 ，叶片数为N = 15。

风力涡轮机放置在距离风洞出口下风800毫米、距离地面525毫米的位置，风力涡轮机连接有扭矩计和一个直流电动机，该电动机控制着风力涡轮机的旋转次数。

横流式风力涡轮机

自由流速度被设定为U = 7米/秒，湍流强度小于0.5%。

假定原点位于风力涡轮机的中心，风速分布在侧向的z/D = 0、流向的x/D = -0.5到2.0范围内，以及垂直方向的y/D = -1.5到1.5范围内，使用X型热线探头测量，如下图所示。

测量点的间距在x和y方向上都为5毫米。

测量范围

数值分析方法

计算网格的详细信息如下图所示，计算域包括一个旋转区域，其中包括风力涡轮机，以及一个围绕着它的静止区域。

采用了文献中描述的滑动网格技术来耦合旋转网格和静态网格，总网格点数约为250,000个。

在进流边界上，实施了具有U = 7米/秒和0.5%湍流强度的流向风速，在出流边界上，施加了压力出口边界条件。

计算网格

在计算域和叶片表面的底部边界上，设置了非滑边界条件，在计算域的顶部边界上，实施了自由滑边界条件。

风力涡轮机的尖速比λ (= Dw/U)设置为U恒定，涡轮的角速度w发生变化。时间步长Δt (= π/360ω)是风力涡轮机旋转0.5度所需的时间，统计数据从3600 Δt到7200 Δt总结。

动力系数与最佳叶尖速比下风力机周围的流动特性

下图显示了功率系数CP（= 2Tw/LDrU3）与尖速比λ的相关性，其中T是涡轮的扭矩。

我们可以观察到CFD结果与实验结果吻合良好。

功率系数C的相关性P叶尖速比λ

本节我们重点关注λ = 0.4时风力涡轮机周围的流体特性。

下图显示了风力涡轮机通过流体的时间平均速度剖面，CFD和WTE结果的速度剖面看起来基本一致，除了在y/D = 0.5到0.0范围内的流向速度。

当运行在λ = 0.4时，流过风力涡轮机的时间平均速度剖面

CFD和WTE结果在流向速度方面的巨大差异可能是由于风力涡轮机返程侧所流失的强逆时针涡旋（如图中虚线椭圆所示）的生成频率不同。

当运行在λ = 0.4时，风力涡轮机周围的轴向涡度和流向速度等值线。

根据下图，在上图(a)中的十字标记指示的位置显示流向速度波动的频率谱图。

在CFD和WTE中，强逆时针涡旋周期性地从风力涡轮机的返程侧脱落，频率分别为大约fb/4赫兹和fb/3赫兹。

(a) CFD，(b) WTE

其中，fb是表1中显示的叶片通过频率（转子旋转频率和叶片数的乘积）。

表1：叶片通过频率

流动特性对风力涡轮机叶尖速比的依赖性

本节基于CFD结果，我们讨论了风力涡轮机的流体特性与叶端速比之间的相关性。

下图比较了在不同叶端速比下风力涡轮机通过流体的时间平均流向速度剖面。

随着λ的增加，在风力涡轮机返程侧背风面（y/D 0）中的速度亏损通常会减少。

流向速度

下图比较了在不同叶端速比下风力涡轮机通过流体的紊动动能（TKE）剖面。

随着λ的增加，在风力涡轮机返程侧背风面中，TKE值通常会增加，在风力涡轮机传动侧背风面中，TKE值通常会降低。

湍流动能

关于速度亏损和TKE对λ的依赖原因，风力涡轮机传动侧和返程侧产生的漩涡特性会根据λ的不同而变化。

下图分别显示了λ=0.1和0.7时风力涡轮机周围轴向涡度的等值线，随着λ的增加，风力涡轮机返程侧产生的漩涡变得更大、更强。

因此，lambda增加会导致返程侧背风面的速度亏损和TKE增加。

随着λ的增加，更大、更强的漩涡的形成被认为源于风力涡轮机返程侧叶片附近的剪切应力增加，这是由于叶片向风力涡轮机周围的流体方向相反移动的速度增加导致的。

当运行在λ = 0.1和0.7时，风力涡轮机周围的轴向涡量等值线。λ = 0.1，(b) λ = 0.7。

此外，风力涡轮机传动侧产生的漩涡随着λ的增加变得更小、更弱。

因此，λ增加会导致传动侧背风面的速度亏损和TKE减小。

随着λ的增加，更小、更弱的漩涡的形成被认为是由于来自叶片边缘相反符号的漩涡之间的相互作用的频率由于来自一片叶子内边缘的漩涡再附着的频率增加而变得不那么频繁。

当运行在λ = 0.1和0.7时，风力涡轮机周围的轴向涡量等值线。λ = 0.1，(b) λ = 0.7。

结论

为了阐明横向流风力涡轮机的流动特性，进行了风洞实验（WTE）和计算流体力学（CFD）模拟。

CFD模拟针对风力涡轮机在桨速比λ=0.1、0.4和0.7下运行的情况进行了。

通過将λ=0.4的最佳桨速比的WTE结果与CFD方法进行比较，证实了CFD方法的有效性。

主要研究结果如下：

1）随着λ的增加，风力涡轮机返程侧背风面的速度亏损通常会增加，而在传动侧背风面通常会减少。

2）随着λ的增加，风力涡轮机返程侧背风面的湍流动能通常会增加，而在传动侧背风面通常会减少。

3）随着λ的增加，从风力涡轮机返程侧产生的漩涡趋向于更大、更强。

4）随着λ的增加，从风力涡轮机传动侧产生的漩涡趋向于更小、更弱。

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