1、1,風力機空氣動力試驗,2,引言 風洞試驗 風場試驗,3,空氣動力學發(fā)展史表明，沒有試驗研究就沒有獨立的這門學科。氣動上的基本現(xiàn)象和原理都是通過試驗逐步認識的，氣動上的重大突破都是首先在試驗上的突破； 氣動理論分析和計算的結(jié)果，應經(jīng)受試驗檢驗或驗證； 可以為各類工程、技術(shù)應用對象（飛行器、船舶、測量、建筑物、風力機等）提供可靠的空氣動力特性數(shù)據(jù)。,引言,4,引言,5,研究的速度范圍不斷擴寬。,亞音速風洞,超音速風洞,引言,6,研究的項目不斷擴展，如氣動力、壓力分布、熱特性測量、流動顯示等。,引言,7,應用對象不斷擴大，由傳統(tǒng)的航空航天領(lǐng)域逐步滲透到船舶、車輛、建筑、橋梁、生物、能源、氣象、環(huán)保

2、、化工、機械、農(nóng)林業(yè)和體育等各個領(lǐng)域。,引言,8,空氣動力試驗一般采用模擬方法，即使用模型試驗來模擬原型的物理現(xiàn)象。所謂模擬是指在一定的條件下用一個比較容易求得結(jié)果的物理現(xiàn)象來研究另一個遵循相同物理規(guī)律或數(shù)學規(guī)律的物理現(xiàn)象的方法。根據(jù)基本方法和設備的不同分為： 風洞試驗法：利用相對運動原理，模型不動、氣流運動; 攜帶試驗法：將模型固定在可運動的設備上進行試驗; 飛行試驗法：試飛、海試、外場試驗等。,引言,9,利用模型代替實物進行試驗，必須解決的兩個重要問題： 怎樣保證模型試驗和實物試驗的流動現(xiàn)象相似？ 怎樣把試驗結(jié)果應用到實際？ 相似理論論述了兩種現(xiàn)象相似的充分必要條件，回答了如何正確選擇相似

3、準則。 掌握相似理論，對指導試驗和分析、處理、應用試驗數(shù)據(jù)是十分重要的。,引言,10,1、風洞基本概念 風洞是按特殊要求設計的、可產(chǎn)生可調(diào)節(jié)氣流的特殊管道，由這個管道形成的模型流場能夠模擬或部分模擬原型流場。 低速風洞：直流式、回流式、立式 亞音速風洞： Ma=0.40.8 跨音速風洞： Ma=0.81.4 超音速風洞：Ma=1.45.0 高超音速風洞: Ma=5.014,風洞試驗風洞,11,低速直流風洞,風洞試驗風洞,12,低速回流閉口風洞,風洞試驗風洞,13,低速回流開口風洞,風洞試驗風洞,14,風洞試驗風洞,15,2、風洞流場品質(zhì) 對于飛行于高空大氣的飛機，其大氣環(huán)境特點是：風速大小、方

4、向一致、氣壓均勻、空氣未被擾動（湍流度低）等。 對于風力機、建筑物等地面試驗對象，其大氣環(huán)境特點是：風速大小隨高度改變有一定的變化、湍流度也較高。 風洞試驗段中氣流的這些特性的好壞稱為流場品質(zhì)。一般包括：動壓場（速度場）、方向場（氣流偏角）、湍流度等指標。,風洞試驗風洞,16,3、風洞主要部件 試驗段：是風洞中模擬原型流場進行模型氣動試驗的地方。,風洞試驗風洞,17,擴散段：位于試驗段或動力段后，減小氣流速度，以減小風洞中氣流能量損失。,風洞試驗風洞,18,拐角及導流片：回流風洞中，氣流需要折轉(zhuǎn)360。拐角及導流片起到平順拐折氣流的作用。,風洞試驗風洞,19,動力段：安裝有風扇及其附屬設施（如

5、整流罩、止旋片等）。用于向風洞內(nèi)氣流補充能量、保證氣流維持一定的速度。,風洞試驗風洞,20,整流裝置：包括穩(wěn)定段、蜂窩器、整流網(wǎng)等。其作用是切割風洞內(nèi)大尺寸漩渦并使小漩渦衰竭，提高風洞內(nèi)流場品質(zhì)。,風洞試驗風洞,21,收縮段：使來自穩(wěn)定段的氣流加速、并改善試驗段氣流品質(zhì)。,風洞試驗風洞,22,進氣口、出氣口：用于直流風洞向外界大氣吸取和排除氣流。 調(diào)壓縫：在閉口風洞中保持風洞試驗段內(nèi)壓力與外界大氣基本相同。一般位于試驗段與擴散段之間。,風洞試驗風洞,23,4、風洞試驗流程 將試驗模型固定于試驗段中。 模型可以是專用模型或?qū)嵨锬Ｐ?需要有支撐裝置支撐模型,風洞試驗風洞,24,在風洞中建立要求的流

6、場 小型風力機一般按均勻流處理 大型風力機或建筑物需考慮大氣邊界層 測量相關(guān)數(shù)據(jù) 天平、壓力傳感器 轉(zhuǎn)速儀、電流電壓儀、負載等 數(shù)據(jù)修正與處理 洞壁干擾修正 轉(zhuǎn)換系數(shù),風洞試驗風洞,25,5、風洞試驗特點 試驗組織簡單、成本低、周期短 試驗環(huán)境簡單，不需要考慮外場條件 氣流人工建立，不需要“靠天吃飯” 測試條件完善，試驗項目多 試驗結(jié)果可靠、可重復性好 氣流條件穩(wěn)定，試驗干擾因素少 便于建立統(tǒng)一的試驗、評估標準 不適合進行與壽命等相關(guān)的長期試驗 對試驗對象尺寸有一定限制,風洞試驗風洞,26,流場模擬 風力機風洞試驗時，對風洞流場的要求同航空飛行器模型試驗，一般在風洞中可不模擬大氣邊界層流場。,

7、風洞試驗相似條件,27,模型模擬 幾何相似 運動相似 動力相似,風洞試驗相似條件,28,運動相似 風力機風輪模型和實物的葉尖速比相同，即 式中 V來流速度； 風輪角速度；R為風輪半徑； 下標m、p分別表示模型和實物。,風洞試驗相似條件,29,動力相似 風力機風輪模型和實物的雷諾數(shù)相同，即 式中 u葉尖線速度； 葉片的平均幾何弦長； V運動黏性系數(shù)。,風洞試驗相似條件,30,葉片的平均幾何弦長為 式中 A風輪掃掠面積； B葉片數(shù)； D風輪直徑。,風洞試驗相似條件,31,葉尖線速度為 當風洞介質(zhì)為空氣時，則,風洞試驗相似條件,32,設模型和實物的幾何縮尺比為k，即 和 則 即,風洞試驗相似條件,3

8、3,由上式可知：如果風力機模型和實物的比例取1:10，則要求模型試驗時的風輪轉(zhuǎn)速是實物運行的風輪轉(zhuǎn)速的100倍。這時，為了保持風輪模型和實物的葉尖速比相同，要求模型試驗時的風速是實物運行時的風速的10倍。,風洞試驗相似條件,34,小型風力機模型縮尺比小，有的可以用實物進行試驗，因此，運動相似和動力相似基本可以滿足。但是，中大型風力機模型縮尺比大，如果要做到運動相似和動力相似，那么風輪的轉(zhuǎn)速和風洞的風速都要很高，這時，不但要考慮空氣壓縮性的影響，而且給模型設計也帶來許多困難。因此，在風洞試驗中，只能做到近似地模擬，主要保證幾何相似和運動相似。,風洞試驗相似條件,35,翼型：風輪葉片（或機翼）剖面

9、形狀。 翼型對風力機的效率及葉片結(jié)構(gòu)設計具有重要的意義。 風力機翼型風洞試驗的主要目的在于： 獲得翼型在不同Re數(shù)下的氣動特性，主要包括：升力特性、阻力特性，還可包括俯仰力矩特性等。 獲得翼型表面壓力分布。 翼型試驗是典型的二維試驗。,風洞試驗翼型試驗,36,一般在專用翼型風洞（二元風洞）中進行 高Re數(shù)試驗也可在常規(guī)大尺寸風洞（三元風洞）中進行 測試設備 天平：用于測量截斷翼型模型的氣動載荷 壓力傳感器：測量翼型表面或空間流場壓力分布，通過積分獲得翼型升阻特性 測壓耙：用于支撐空間流場探頭。,風洞試驗翼型試驗,37,一般弦長不超過試驗段高度的40%，大迎角時還應更小 一般采用木制模型，也可采

10、用金屬模型 模型適應測力或（和）測壓試驗要求 測力試驗時，要求模型載荷必須通過天平傳遞 測壓試驗時，要求模型表面具備壓力感受裝置，如測壓孔 需要消除模型的三維流動,風洞試驗翼型試驗,38,模型氣動載荷可以用內(nèi)式天平、也可用外式天平測量 一般采用三段式模型進行 天平僅測量中間的模型的氣動載荷 兩側(cè)的模型用于減小三維效應 三段模型能夠同步變化迎角,風洞試驗翼型試驗,39,用動量法可以獲得翼型的升、阻特性，還可測量翼型表面壓力分布 動量法測升力 當翼型受到升力作用時，風洞的上下壁面也受到大小相等、方向相反的作用力。沿上下壁面測量壓強分布并積分即可求得翼型升力。,風洞試驗翼型試驗,40,風洞試驗翼型試

11、驗,41,動量法測阻力 流過翼型的氣流，在翼型后面形成尾流，翼型所受的阻力越大，尾流內(nèi)氣流的機械能越小。如果能測量出尾流內(nèi)的流場，就可以用動量定理算出模型所受的阻力。,風洞試驗翼型試驗,42,表面壓力分布測量 通過在翼型模型表面布置壓力感受器（一般為測壓孔），測量翼型表面壓力分布，通過積分就可以獲得翼型升力、俯仰力矩和型阻系數(shù)。 一般測壓孔開在模型中央剖面，為方便數(shù)據(jù)分析和使用還可以在其兩側(cè)分別布置一排測壓孔。 一個剖面的測壓孔數(shù)量應大于48個。,風洞試驗翼型試驗,43,三種試驗方法的主要特點對比,風洞試驗翼型試驗,44,空氣和水都是透明的流體，其流動狀態(tài)難以直接觀察。 借助于物理或化學的方法

12、手段使繞模型的流動的某些特征以畫面的形式顯示出來的試驗方法。 作用： 能深入了解流動現(xiàn)象的本質(zhì)和機理 有助于找到解決某些具體問題的途徑 有助于建立、完善和發(fā)展新的空氣動力理論 基本方法： 外加材料顯示法（低速風洞常用方法） 光學顯示法（常用于高速流動顯示） 能量注入法（主要用于稀薄氣體流動顯示）,流動顯示試驗,風洞試驗翼型試驗,45,煙流法 在流場中注入示蹤粒子（煙流）顯示流動情況 用于顯示空間流場情況,流動顯示試驗,風洞試驗翼型試驗,46,油流法 在模型表面刷上稠粘液體，通過記錄液體隨風流動顯示流場 用于顯示模型表面流動情況，不適合非定常運動模型,風洞試驗翼型試驗,流動顯示試驗,47,獲得風

13、輪氣動特性，為風輪設計、改進和檢驗提供依據(jù) 風輪風能利用系數(shù) 風輪氣動載荷特性 獲得風力機組工作特性，檢驗機組工作特性 功率輸出特性 起動特性 調(diào)速、調(diào)向特性 獲得葉片不同剖面處弦向壓力分布 獲得葉片表面及葉片空間流場特性,試驗目的,風洞試驗風力機試驗,48,風洞 風速：2m/s20m/s，氣流不均勻度0.2m/s 紊流度：0.5% 氣流偏角：0.5 試驗段面積：一般大于風輪掃略面積的8倍，最小4倍 支撐、姿態(tài)角變化及角度測量設備 支撐設備用于將風力機固定于風洞中，一般由風洞配備 風洞轉(zhuǎn)盤：可實現(xiàn)風輪與來流水平夾角變化 迎角機構(gòu)：可實現(xiàn)風輪與來流垂直夾角變化，一般不需要 角度測量設備一般附屬于

14、轉(zhuǎn)盤及迎角機構(gòu),試驗設備,風洞試驗風力機試驗,49,風速傳感器 測量范圍：2m/s20m/s，誤差0.1m/s 一般采用風洞配套速壓測量系統(tǒng) 大氣條件傳感器 大氣溫度傳感器：范圍-2060、誤差0.5 大氣壓力計：范圍80kpa108kpa ，誤差1%,試驗設備,風洞試驗風力機試驗,50,轉(zhuǎn)速計 范圍：不小于風輪額定轉(zhuǎn)速的2倍，誤差1% 安裝于轉(zhuǎn)軸上的碼盤、測速電機等 外置式：頻閃儀、激光轉(zhuǎn)速儀等 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)設備 機械式調(diào)速設備：剎車抱環(huán)等 電力耗能式調(diào)速設備：發(fā)電機/耗能電阻等,風洞試驗風力機試驗,試驗設備,51,力（力矩）傳感器 量程：不大于額定載荷的10倍，誤差0.5% 安裝于風輪轉(zhuǎn)軸的扭

15、矩計：僅能測量扭矩，國內(nèi)采用較少 安裝于風輪支座上的多分量天平：通用性好，載荷匹配較困難 葉片載荷傳感器 葉片角度傳感器 測量葉片方位角 應變儀 測量塔架彎矩、扭矩,試驗設備,風洞試驗風力機試驗,52,壓力傳感器 脈動壓力掃描閥:測量葉片上脈動壓力 常規(guī)電子掃描閥 風力機輸出功率傳感器 一般風力機采用發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)為電能 電流計、電壓計、功率計等 流動顯示設備 照相機、攝像機 煙流、絲線、PIV,試驗設備,風洞試驗風力機試驗,53,一般采用實物模型，也可采用專用模型 實物模型模擬更真實，成本較低，測試項目較少，一般用于檢驗性試驗 專用模型根據(jù)專門用途設計加工，測試項目較多，一般用于研究性試驗

16、 模型尺寸：一般控制在試驗段橫截面積的12%以下，最大不超過20% 為滿足試驗支撐、測試及安全等方面要求，實物模型一般需要進行必要的改裝,試驗模型,風洞試驗風力機試驗,54,模型安裝 模型安裝應滿足試驗和使用要求，并用試驗負載代替實物負載 安裝后風輪中心與試驗段軸線的偏差應小于,試驗模型,風洞試驗風力機試驗,55,風能利用系數(shù)試驗 利用測量風輪扭矩、轉(zhuǎn)速及空氣速壓的方法獲得,風輪氣動特性試驗,風洞試驗風力機試驗,56,風輪無尾舵、正迎風，一般在額定風速下進行，也可選取多個風速 測量時應保持風速（速壓）及風輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 在規(guī)定風速下測量不同轉(zhuǎn)速的結(jié)果，一般需要多次重復測量 對于轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定的風輪，

17、可以采用變風速的方法改變?nèi)~尖速度比 可以改變風輪與氣流的夾角獲得風能利用系數(shù)對來流角的敏感性,風洞試驗風力機試驗,風輪氣動特性試驗,57,數(shù)據(jù)修正 由于風輪在試驗段中的阻塞作用，試驗結(jié)果與實際結(jié)果有所差別 閉口試驗段試驗時，宜采用壁壓信息法進行修正 但風輪掃略面積小于試驗段橫截面積的8%時可以用下式修正,風輪氣動特性試驗,風洞試驗風力機試驗,58,風輪氣動特性試驗,風洞試驗風力機試驗,59,修正時，可以采用壁壓信息矩陣法，它和經(jīng)典的以及有限基本解的洞壁干擾修正方法不同，不需要建立對試驗模型及其尾流的純理論模擬，而只要在模型試驗時，實測洞壁干擾的信息，即壁壓分布情況。以此為出發(fā)點，求解固定在適當

18、位置上的若干簡單面源與線渦的強度分布，使其在風洞試驗段邊界一定位置上產(chǎn)生的誘導速度與試驗模型產(chǎn)生的完全相同，并用這些等效面源，線渦的洞壁干擾速度分布來逼近試驗模型的洞壁干擾速度分布。,風輪氣動特性試驗,風洞試驗風力機試驗,60,風洞洞壁壓力分布,風洞試驗風力機試驗,風輪氣動特性試驗,61,風洞試驗風力機試驗,風輪氣動特性試驗,62,風輪氣動載荷試驗 一般包括推力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)、偏航力矩系數(shù)等 可以與風能利用系數(shù)試驗同步進行，試驗方法類似,風輪氣動載荷試驗,風洞試驗風力機試驗,63,葉片根部的揮舞彎矩和擺振彎矩載荷試驗 利用安裝于葉片和槳轂間的天平進行測量 也可利用應變計進行測量 由于載荷隨

19、葉片方位角變化，需要同步測量葉片方位角 測量需要多圈重復進行 測量結(jié)果應進行洞壁干擾修正,風輪氣動載荷試驗,風洞試驗風力機試驗,64,風洞試驗風力機試驗,風力機在風洞中測試的載荷特性,風輪氣動載荷試驗,65,測量葉片不同剖面處的弦向壓力分布 換算風輪氣動載荷、風輪功率等 驗證計算模型及結(jié)果 需要在葉片上加工測壓孔 需要多圈數(shù)測量 需要進行離心力修正 （Rg為氣體常數(shù)、Te為溫度）,葉片壓力分布試驗,風洞試驗風力機試驗,66,風洞試驗風力機試驗,葉片壓力分布試驗,葉片徑向剖面處的平均壓力分布,67,在需要解決某些特定問題時，可以安排流動顯示試驗 為數(shù)理模型建立提供直觀依據(jù)、檢驗數(shù)值計算結(jié)果 查找

20、、分析一些不明原因的問題，如振動 葉片表面流動顯示試驗和葉片空間流動顯示試驗,風力機流動顯示試驗,風洞試驗風力機試驗,68,葉片表面流動顯示試驗:一般采用絲線法 在模型表面貼上布置柔軟絲線，利用絲線的順風擺動顯示流動情況 一般用于顯示模型表面流動情況，對物面破壞較大 在非定常運動中有誤差,風力機流動顯示試驗,風洞試驗風力機試驗,69,葉片空間流動顯示試驗：煙流法或粒子圖像測速法（PIV） 煙流法 在模型上游適當位置注入煙流顯示當?shù)亓鲃忧闆r PIV法：用于定量顯示空間流場情況 通過多次曝光的方法，記錄注入流場的示蹤粒子的運動軌跡，進而計算、顯示當?shù)亓鲃忧闆r,風力機流動顯示試驗,風洞試驗風力機試驗

21、,70,試驗條件 風場條件 年平均風速大于5m/s，最高風速大于30m/s，或安裝現(xiàn)場 地勢平坦、開闊、不在其他機組尾流區(qū)內(nèi) 模型：實物模型（樣機） 測試儀器 大氣條件傳感器：風速、風向、溫度、壓力 風力機工作狀態(tài)傳感器：轉(zhuǎn)速、方向角 輸出特性傳感器：負載、電表、測振儀、聲級計,風場試驗,71,試驗流程 將試驗樣機安裝于風場，布置、調(diào)試好相關(guān)儀器設備 待風場風速達到預期值時，測量相關(guān)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)處理與修正 數(shù)據(jù)的辨識與統(tǒng)計 數(shù)據(jù)向標準工作狀態(tài)的換算,風場試驗,72,試驗特點 試驗條件與測試結(jié)果更接近實際使用情況 試驗周期較長、組織協(xié)調(diào)量大 受氣候條件制約 外場條件復雜 數(shù)據(jù)離散性較大，后期處理難

22、度較大 試驗條件不穩(wěn)定，干擾因素辨識困難,風場試驗,73,利用風力機實物在自然風況和帶負載的情況下進行長時間的測量，以獲得更為接近實際情況的結(jié)果，并彌補風洞試驗的不足 利用實物：可測量塔架特性 風環(huán)境更接近實際使用情況 無額外設備（如風洞）噪聲，可以進行噪聲測試,試驗目的,風場試驗,74,風速傳感器 測量范圍：2m/s40m/s，誤差0.5m/s 安裝高度：風輪軸線高度0.1倍風輪直徑 安裝位置：距塔架中心（2.58）倍風輪直徑，不在尾流區(qū) 大氣條件傳感器 風向傳感器：范圍360，準確度：2.5 ，位置同上 大氣溫度傳感器：范圍-5050、誤差1，安裝于百頁箱內(nèi) 大氣壓力計：范圍60kpa10

23、8kpa ，誤差3% 轉(zhuǎn)速計 范圍：不小于風輪額定轉(zhuǎn)速的1.5倍，誤差2% 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)設備 負載,試驗設備,風場試驗,75,頻率計 測量范圍：220000Hz，誤差8760小時，精度15s/d 測振儀（加速度傳感器） 測量范圍：02mm，頻率響應2500Hz，精度2.5級 聲級計 范圍40140dB(A)，準度0.5dB(A)，頻響0.87100Hz 安裝高度1.5m 風力機輸出功率傳感器 一般風力機采用發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)為電能 電流計、電壓計、功率計等 場強儀 范圍：10V/m1000mV/m，精度0.5級,試驗設備,風場試驗,76,年平均風速大于5m/s，最高風速大于30m/s，或安裝現(xiàn)場 地

24、勢平坦、開闊、不在其他機組尾流區(qū)內(nèi) 安裝位置滿足機組正常工作條件,試驗場地,風場試驗,77,風場試驗,試驗場地,78,附有有關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)、圖樣、安裝使用說明和產(chǎn)品合格證 10kW以上的機組可以在安裝現(xiàn)場試驗 測試元件的安置應避免對機組產(chǎn)生明顯影響和結(jié)構(gòu)損壞,試驗樣機,風場試驗,79,風力機風場試驗的項目包括：氣象參數(shù)測量、安全及功能試驗、電能品質(zhì)試驗、功率特性試驗、噪聲試驗和載荷試驗等；另外，從風力機研發(fā)的角度，在風場中還需要進行流場顯示試驗和壓力分布試驗等。,風場試驗,試驗項目,80,風場試驗,氣象參數(shù)測量,風場試驗時，必須準確測量氣象參數(shù)，特別是風特性。氣象參數(shù)的測量是在測風桿上進行的，測

25、風桿一般采用管狀或桁架結(jié)構(gòu)。對水平軸風力機，測風桿距風力機塔架中心為2倍4倍的風輪直徑D，一般可取2.5D；對垂直軸風力機為1.5倍風力機直徑。測風桿要設置在所選擇的測量扇區(qū)內(nèi)，不受風力機尾流的干擾；風速儀和風向儀要正確地安裝在測風桿上，風速儀安裝高度與風力機輪轂中心的高度Hh相差小于2.5%Hh，風向儀安裝高度相差小于10%；另外，測風儀安裝時，要避免風向儀和風速儀之間的相互干擾，以及避免與鄰近其它測風儀可能產(chǎn)生的擾流影響。,81,風速儀一般采用杯式風速儀，其測量范圍為0m/s40m/s，準確度為0.1m/s（4 m/s25m/s）或5%；風向儀一般采用尾翼式風向測試儀，其測量范圍為0360

26、，準確度為2.5。,風場試驗,氣象參數(shù)測量,82,在氣象參數(shù)測量時，除了風速和風向外，還要測量氣溫、氣壓、濕度和湍流強度等。氣溫和氣壓測量傳感器應安裝在測風桿上，接近風力機輪廓中心的高度。氣溫測量范圍為-5050，準確度為2；氣壓傳感器測量范圍為60 kPa 108kPa，準確度為 3%。,氣象參數(shù)測量,風場試驗,83,風場試驗,氣象參數(shù)測量,傳感器安裝示例圖,84,輸出特性試驗 用比恩（BIN）法確定機組輸出功率和風速的關(guān)系 數(shù)據(jù)采集條件：機組正常工作、從切入風速到切出風速 采集方法：計算機同步采集風速、輸出功率，頻率1Hz，周期60s,功率特性測試,風場試驗,85,功率特性測試,風場試驗,功率曲線測量時，每個通道的數(shù)據(jù)采樣頻率要大于或等于0.5Hz，采用bin法（又稱間隔法）對測試數(shù)據(jù)進行處理。風速的間隔寬度為0.5m/s，每個風速的間隔所對應的功率值按下式進行計算 式中 Vi第i個間隔的平均風速值； Vn, i, j第i個間隔的j數(shù)據(jù)組的風