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利用高频PIV探索风力机近尾迹流场湍流特征的实验研究 第一章 绪论 1.1 引言风能作为一种无污染且取之不尽、用之不竭可再生能源有着巨大的发展潜力，特别是可利用的风能在全球分布广泛，且成本低廉，凭借环保巨大的商业潜力占领能源市场，同时风能高效利用成为各国科研人员重点[]。生态经济中最活力、增长最快的清洁能源产业，各国政府扶持。，风能的利用得到了发展，风电装机容量平均年增长率28.3%[2]，这带动了材料学、空气动力学、结构动力学等相关学科的发展。对风力机的深入研究，风力机空气动力学的研究也越来越国内外学者重视，世纪，现代可视化测量空气动力学领域，风力机尾迹研究取得了发展。世界风能利用的成功发展风力机空气动力学研究，其中，风力机尾迹是重点研究主题之一。风力机尾迹近尾迹和远尾迹[3]。近尾迹是风轮后方的区域，此处风力机性能及汲取功率的物理机理，叶片空气动力学、三维流动效应叶尖涡特性等；远尾迹近尾迹，流动状态对流和湍流扩散，成组安装时的影响。叶片空气动力特性决定风力机，风力机空气动力学起作用[]。风力机叶片上脱落的是流动阻力、气动噪声产生的主要原因[]，同时存在和是风力机结构的特征PIV在国外风力机中的研究现状 当今全球的风电产业正在迅猛的发展，而风力机流场分析风力机空气动力学理论的重要。苏格兰赫瑞瓦特大学的Grant I和Smith G H首先PIV测试技术应用于水平轴风力机的空气动力学。1991年，Smith G H和Grant I[]应用PIV技术，研究了叶尖涡的特征单个叶片周围的环量，了分析PIV图片提取速度、涡量及环量的方法。1996年，Whale J[]对比实验室方法和全尺寸风轮的实验数据，研究了近尾迹结构。风力机下游稳定区域，PIV技术对尾迹进行了，并两个完全尺寸风力机的实验数据了对比。对比不同尖速比下尾迹流动剖面的湍流强度和平均速度。由于PIV技术，包括的设置确保对流场条件恰当、精确的模拟，在探究流动尾迹的数据中PIV技术。2000年，Grant I[]在偏航的情况下在风洞中使用了DPIV，对水平轴风力机叶片脱落的涡的速度场进行了。了尾迹的涡环量与风轮位面及在风向和风轮之间的偏航角函数关系，对流涡量的强度随时间变化。涡的结构由流动的扩张角决定，然而，当在偏航流动时，涡的扩展受从叶片后缘脱落的涡面影响，且这个作用很大甚至叶尖涡卷曲。2005年，日本三重大学的前田太佳夫等[]在风洞直径0.6m的风力机尾迹在风场10m的风力机测试。在风洞试验中了PIV技术。风洞测试结果，尾迹从叶尖涡耗散处扩散。风场尾迹速度的恢复小于风洞试验。尾迹区域在旋转平面内随风力机旋转沿塔架径向方向移动。对比风轮轴上方的尾迹速度，由于塔架的影响，风轮下方的尾迹速度恢复程度较小。2006年，明尼苏达大学的Troolin等人[10]利用高频PIV分别进行了尾缘加装和不加装襟翼的NACA0015翼型叶片的绕流实验，在带有襟翼翼型的尾迹下游，存在两种脱落模式明显的涡，并且两者互相作用，在不对称的钝头体后面，出现的主要的涡模式类似于卡门涡街。由襟翼上游的腔体里的循环流体的间歇脱落导致了第二种模式，随着攻角的增加这种脱落变得更加连贯。 2007年，法国国立高等工程技术学院的Massouh F和Dobrev I[]利用PIV技术在风洞中对小型水平轴风力机的下游进行了测试。应用锁相技术，旋转平面的流场。分析不同角度的方位面的图像，重现了三维的速度流场。热线测速仪了风轮后轴向和径向上不同位置的瞬时速度，对比分析实验值和CFD计算值。 2008年法国的Masaaki Honda[]等人利用三维PIV垂直轴工业涡轮机叶尖涡的流动情况研究，拍摄面于叶片后90mm，拍摄方位面22.5°至45°，实验证明垂直轴工业涡轮机叶尖涡分离点总在同一位置与转速无关。×240mm，从自由旋转结果和锁相定位结果两种情况呈现了涡量场的瞬时演化细节、重建了三维螺旋形涡量场，通过轴向和径向湍流强度、雷诺应力、湍动能等参数的分析描述了风力机近尾迹的湍流情况。同时发现风力机的轴向推力系数及扭矩系数随着尖速比的增加而增大，同时三个叶片产生的叶尖涡运动轨迹形成螺距存在一定的函数关系。实验结果能够准确估计的动态空气动力负载所需的最佳机械设计的风力涡轮机。J. Stephen Hu等人[15]在用高频PIV测试置于大气边界层风洞中的同种型号风力机的流动结构的同时，还监测了风力机瞬时输出电压以及风机的旋转角速度，结合风机尾迹的流动结构和连续的电压信号探究风力机在不稳定流动条件下运行时的形态。 2012年，明尼苏达大学的David J. Green等人[16]用锁相PIV测试了风机下游六倍直径尾迹内的十个位置，通过获得的湍流强度、雷诺应力、湍流动能等参数来辨别流场中的大尺度拟序结构，并发现叶尖涡在五倍直径内仍