小型水平軸風(fēng)機(jī)對(duì)橋梁主梁尾流控制的試驗(yàn)研究

張 晗，張洪福

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

為了控制風(fēng)致振動(dòng)，本文將小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型放置在橋梁節(jié)段模型上面。風(fēng)機(jī)模型直徑為60 mm，模型的縮尺比為1∶40。每個(gè)風(fēng)力機(jī)模型都由一個(gè)多葉片轉(zhuǎn)子組成，該轉(zhuǎn)子連接到一個(gè)小型交流電(AC)發(fā)電機(jī)，葉片連接在小型交流電發(fā)電機(jī)上，風(fēng)力機(jī)的重量包括發(fā)電機(jī)，葉片和支撐桿等，一系列總重量不超過14 g。風(fēng)機(jī)最大能量變換效率體現(xiàn)在葉尖速比最優(yōu)的情況下，葉尖速比定義公式如下

(1)

式中:ω為旋轉(zhuǎn)角速度，rad·s-1；R為葉片的半徑，m；V為額定風(fēng)速，m·s-1；n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r·min-1。λ一般與葉片數(shù)量、葉片翼型、類型有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)選取的葉片葉尖速比為2～3左右，具有較高的功率系數(shù)Cp=0.5左右。

2 風(fēng)力機(jī)尾流特征

本文通過數(shù)值模擬探究單個(gè)風(fēng)力機(jī)順流向渦的空間形態(tài)。由于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子對(duì)模擬結(jié)果影響較大，因此只對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 計(jì)算域的選取

計(jì)算模型中的風(fēng)機(jī)采用1∶40的縮尺模型，利用ICEM軟件建模，計(jì)算域大小如圖2所示。計(jì)算域分為內(nèi)流場和外流場兩部分，內(nèi)流場為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域，外流場為風(fēng)輪前面的來流區(qū)和風(fēng)輪后面的尾流區(qū)，為靜止區(qū)域。計(jì)算域整體為矩形形狀，內(nèi)流場與外流場之間設(shè)置Interface面來保證兩個(gè)流場之間的計(jì)算數(shù)據(jù)相對(duì)流通。整個(gè)計(jì)算域展向長度為24D(D為風(fēng)輪直徑)，計(jì)算域高度為8D，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)中心到速度入口的距離為5D，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)中心到壓力出口的距離為19D。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分后的總數(shù)量為463萬，對(duì)風(fēng)機(jī)和內(nèi)流場采用局部加密的方式，風(fēng)力機(jī)表面網(wǎng)格數(shù)量為1.6萬。網(wǎng)格質(zhì)量最小為0.225，最大為1，總體質(zhì)量較好。流域網(wǎng)格采用混合網(wǎng)格形式，內(nèi)流場由于風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)角度較為復(fù)雜采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格形式，外流場為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

2.3 邊界條件設(shè)置與求解策略

本文采用分離求解器基于壓力型進(jìn)行求解，求解類型為瞬態(tài)?；陲L(fēng)力機(jī)流場的湍流特性，選擇SSTk-w湍流模型；計(jì)算域條件設(shè)置內(nèi)流場旋轉(zhuǎn)為滑移網(wǎng)格。邊界條件中，外流場入口速度為7 m·s-1，風(fēng)機(jī)設(shè)置為Moving Wall，與內(nèi)流場旋轉(zhuǎn)域同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速均為523.8 r·s-1且無滑移。求解方法選擇壓力速度耦合算法SIMPLE算法；為提高計(jì)算準(zhǔn)確性，采用二階迎風(fēng)格式。對(duì)于殘差收斂設(shè)定為10-5，時(shí)間步長為0.000 1 s，監(jiān)控風(fēng)機(jī)的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù)的變化，選擇初始化之后，進(jìn)行迭代計(jì)算。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

風(fēng)力機(jī)在來流風(fēng)作用下旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生大尺度的順流向渦，該順流向渦以螺旋狀向下游漂移，多個(gè)文獻(xiàn)表明該類型渦結(jié)構(gòu)可抑制展向渦的形成與發(fā)展，從而抑制結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)。

3 橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)參數(shù)簡介

本次風(fēng)洞試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)浪槽與風(fēng)洞聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室是一座閉口回流式風(fēng)洞，由兩個(gè)試驗(yàn)段組成。本次風(fēng)洞試驗(yàn)均是在小風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段完成，實(shí)驗(yàn)風(fēng)速范圍從3～50 m·s-1，為連續(xù)可調(diào)。該矩形工作試驗(yàn)段寬4 m，高3 m，長25 m。在試驗(yàn)過程中，自由流的湍流強(qiáng)度小于0.46%，自由流的不均勻度小于1%，平均氣流偏角小于0.5°。

4 尾流試驗(yàn)結(jié)果與分析

尾流區(qū)的漩渦脫落是引起橋梁渦激振動(dòng)的主要原因，因此研究尾流區(qū)的速度變化有著重要的意義。本次實(shí)驗(yàn)分別以裸梁和成橋狀態(tài)下增設(shè)欄桿作為基礎(chǔ)工況進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)速均采用折減風(fēng)速U/fB，這里U為來流風(fēng)速，f為模型的振動(dòng)頻率，B為模型寬度。風(fēng)力機(jī)通過交錯(cuò)布置放置在橋梁節(jié)段模型上。其中h是小型風(fēng)力機(jī)的高度，L是風(fēng)力機(jī)展向的間距。風(fēng)力機(jī)沿展向方向間隔為2H、3H(H為橋梁模型的高度，H=0.1m)，旋轉(zhuǎn)軸的高度分別為h/H=0.28、0.38。

選取風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)軸高度為h/H=0.28，展向間隔為3H的實(shí)驗(yàn)工況研究尾流風(fēng)速的變化。為了與模型懸掛狀態(tài)下的尾流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，本次實(shí)驗(yàn)選取彈簧懸掛系統(tǒng)狀態(tài)下的折減風(fēng)速為U/fvB=1.328和U/fαB=1.430。監(jiān)測點(diǎn)所用儀器為熱線風(fēng)速儀和二維熱線探頭，采樣頻率為1 000 Hz。針對(duì)以上兩種風(fēng)速，分別對(duì)橋梁節(jié)段模型順風(fēng)向(U)進(jìn)行監(jiān)測分析。

無控和安裝小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的狀態(tài)下監(jiān)測點(diǎn)位置圖。監(jiān)測點(diǎn)分布在直線z/H=0以及z/H=1.5，y/H=0，這里z/H=0，y/H=0對(duì)應(yīng)安裝的風(fēng)機(jī)模型的位置，z/H=1.5，y/H=0對(duì)應(yīng)兩個(gè)風(fēng)力機(jī)模型的中間位置。沿著x方向上共有六個(gè)監(jiān)測點(diǎn)x=4H、8H、12H、16H、20H、24H。y軸為無量綱順流向脈動(dòng)風(fēng)速為u′/U0，u′為順流向脈動(dòng)風(fēng)速，U0為來流風(fēng)速。

無控狀態(tài)下和有控狀態(tài)尾流區(qū)順流向脈動(dòng)風(fēng)速值隨著順流向距離的增大而逐漸衰減，展向渦能量逐漸耗散。豎向渦振情況，在近尾流區(qū)無控要比有控的脈動(dòng)風(fēng)速值低；在有控的工況下，順流向風(fēng)速脈動(dòng)值要衰減的快，遠(yuǎn)尾流區(qū)有控比無控狀態(tài)下脈動(dòng)風(fēng)速值低，說明在有風(fēng)機(jī)的情況下旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的順流向渦能夠抑制展向渦的形成與脫落，加快順流向脈動(dòng)風(fēng)速值的降低。扭轉(zhuǎn)渦振情況，在近尾流區(qū)有控和無控相比，順流向脈動(dòng)風(fēng)速值要偏低，在遠(yuǎn)尾流區(qū)有控和無控順流向脈動(dòng)風(fēng)速值相差不是太大。

尾流測試結(jié)果：功率譜密度

功率譜可以反映主梁漩渦脫落的頻率與強(qiáng)度。一般而言，橋梁旋渦脫落若能夠被抑制，則渦激共振現(xiàn)象也可被抑制。本文中，選取尾流區(qū)監(jiān)測位置位于直線z/H=0和z/H=1.5，y/H=0，x/H=20上，展向間距為3H，旋轉(zhuǎn)軸高度為h/H=0.28的風(fēng)機(jī)布置在橋梁節(jié)段模型的迎風(fēng)端和背風(fēng)端。

無控狀態(tài)時(shí)，在折減風(fēng)速U/fvB=1.328處出現(xiàn)強(qiáng)烈的豎向渦激共振，展向渦能量非常大。在折減風(fēng)速U/fαB=1.430出現(xiàn)強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)渦激共振。當(dāng)布置小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，峰值能夠完全消失，表明安裝小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)橋梁節(jié)段模型渦激共振有明顯的控制效果。

5 結(jié) 論

水平軸風(fēng)力機(jī)是一種有效收集風(fēng)能的裝置，其葉片旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生順流向渦結(jié)構(gòu)。主梁展向渦是導(dǎo)致渦振產(chǎn)生的主要原因，本文采以多葉片水平軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，采用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)探究了風(fēng)力機(jī)尾渦對(duì)典型大跨橋梁主梁展向渦的抑制作用，采用數(shù)值模擬觀察了風(fēng)力機(jī)尾流形態(tài)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，風(fēng)力機(jī)的尾流為順流向螺旋狀渦結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明在豎向渦振發(fā)生風(fēng)速范圍內(nèi)，近尾流區(qū)受葉片旋轉(zhuǎn)影響，風(fēng)力機(jī)增加了風(fēng)速的脈動(dòng)，但在遠(yuǎn)尾流區(qū)降低了風(fēng)速脈動(dòng)；在扭轉(zhuǎn)渦振發(fā)生范圍內(nèi)，遠(yuǎn)近尾流區(qū)的脈動(dòng)均被減小；風(fēng)速頻譜分析結(jié)果表明風(fēng)力機(jī)可以有效抑制主梁周期性渦脫，從而減弱渦激振動(dòng)。