小型水平轴风机对桥梁主梁尾流控制的试验研究

张 晗，张洪福

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 水平轴风力发电机模型

为了控制风致振动，本文将小型水平轴风力发电机模型放置在桥梁节段模型上面。风机模型直径为60 mm，模型的缩尺比为1∶40。每个风力机模型都由一个多叶片转子组成，该转子连接到一个小型交流电(AC)发电机，叶片连接在小型交流电发电机上，风力机的重量包括发电机，叶片和支撑杆等，一系列总重量不超过14 g。风机最大能量变换效率体现在叶尖速比最优的情况下，叶尖速比定义公式如下

(1)

式中:ω为旋转角速度，rad·s-1；R为叶片的半径，m；V为额定风速，m·s-1；n为风轮转速，r·min-1。λ一般与叶片数量、叶片翼型、类型有关。本实验选取的叶片叶尖速比为2～3左右，具有较高的功率系数Cp=0.5左右。

2 风力机尾流特征

本文通过数值模拟探究单个风力机顺流向涡的空间形态。由于风机的转子对模拟结果影响较大，因此只对风机转子进行数值模拟。

2.1 计算域的选取

计算模型中的风机采用1∶40的缩尺模型，利用ICEM软件建模，计算域大小如图2所示。计算域分为内流场和外流场两部分，内流场为风轮转动区域，外流场为风轮前面的来流区和风轮后面的尾流区，为静止区域。计算域整体为矩形形状，内流场与外流场之间设置Interface面来保证两个流场之间的计算数据相对流通。整个计算域展向长度为24D(D为风轮直径)，计算域高度为8D，风机旋转中心到速度入口的距离为5D，风机旋转中心到压力出口的距离为19D。

2.2 网格划分

网格划分后的总数量为463万，对风机和内流场采用局部加密的方式，风力机表面网格数量为1.6万。网格质量最小为0.225，最大为1，总体质量较好。流域网格采用混合网格形式，内流场由于风机叶片旋转角度较为复杂采用非结构化网格形式，外流场为结构化网格。

2.3 边界条件设置与求解策略

本文采用分离求解器基于压力型进行求解，求解类型为瞬态。基于风力机流场的湍流特性，选择SSTk-w湍流模型；计算域条件设置内流场旋转为滑移网格。边界条件中，外流场入口速度为7 m·s-1，风机设置为Moving Wall，与内流场旋转域同步旋转，转速均为523.8 r·s-1且无滑移。求解方法选择压力速度耦合算法SIMPLE算法；为提高计算准确性，采用二阶迎风格式。对于残差收敛设定为10-5，时间步长为0.000 1 s，监控风机的升力系数、阻力系数和力矩系数的变化，选择初始化之后，进行迭代计算。

2.4 数值模拟结果

风力机在来流风作用下旋转会产生大尺度的顺流向涡，该顺流向涡以螺旋状向下游漂移，多个文献表明该类型涡结构可抑制展向涡的形成与发展，从而抑制结构的涡激振动。

3 桥梁节段模型风洞试验参数简介

本次风洞试验在哈尔滨工业大学浪槽与风洞联合实验室内进行，实验室是一座闭口回流式风洞，由两个试验段组成。本次风洞试验均是在小风洞实验段完成，实验风速范围从3～50 m·s-1，为连续可调。该矩形工作试验段宽4 m，高3 m，长25 m。在试验过程中，自由流的湍流强度小于0.46%，自由流的不均匀度小于1%，平均气流偏角小于0.5°。

4 尾流试验结果与分析

尾流区的漩涡脱落是引起桥梁涡激振动的主要原因，因此研究尾流区的速度变化有着重要的意义。本次实验分别以裸梁和成桥状态下增设栏杆作为基础工况进行对比。实验中的风速均采用折减风速U/fB，这里U为来流风速，f为模型的振动频率，B为模型宽度。风力机通过交错布置放置在桥梁节段模型上。其中h是小型风力机的高度，L是风力机展向的间距。风力机沿展向方向间隔为2H、3H(H为桥梁模型的高度，H=0.1m)，旋转轴的高度分别为h/H=0.28、0.38。

选取风力机旋转轴高度为h/H=0.28，展向间隔为3H的实验工况研究尾流风速的变化。为了与模型悬挂状态下的尾流数据进行对比，本次实验选取弹簧悬挂系统状态下的折减风速为U/fvB=1.328和U/fαB=1.430。监测点所用仪器为热线风速仪和二维热线探头，采样频率为1 000 Hz。针对以上两种风速，分别对桥梁节段模型顺风向(U)进行监测分析。

无控和安装小型水平轴风力发电机模型的状态下监测点位置图。监测点分布在直线z/H=0以及z/H=1.5，y/H=0，这里z/H=0，y/H=0对应安装的风机模型的位置，z/H=1.5，y/H=0对应两个风力机模型的中间位置。沿着x方向上共有六个监测点x=4H、8H、12H、16H、20H、24H。y轴为无量纲顺流向脉动风速为u′/U0，u′为顺流向脉动风速，U0为来流风速。

无控状态下和有控状态尾流区顺流向脉动风速值随着顺流向距离的增大而逐渐衰减，展向涡能量逐渐耗散。竖向涡振情况，在近尾流区无控要比有控的脉动风速值低；在有控的工况下，顺流向风速脉动值要衰减的快，远尾流区有控比无控状态下脉动风速值低，说明在有风机的情况下旋转产生的顺流向涡能够抑制展向涡的形成与脱落，加快顺流向脉动风速值的降低。扭转涡振情况，在近尾流区有控和无控相比，顺流向脉动风速值要偏低，在远尾流区有控和无控顺流向脉动风速值相差不是太大。

尾流测试结果：功率谱密度

功率谱可以反映主梁漩涡脱落的频率与强度。一般而言，桥梁旋涡脱落若能够被抑制，则涡激共振现象也可被抑制。本文中，选取尾流区监测位置位于直线z/H=0和z/H=1.5，y/H=0，x/H=20上，展向间距为3H，旋转轴高度为h/H=0.28的风机布置在桥梁节段模型的迎风端和背风端。

无控状态时，在折减风速U/fvB=1.328处出现强烈的竖向涡激共振，展向涡能量非常大。在折减风速U/fαB=1.430出现强烈的扭转涡激共振。当布置小型水平轴风力发电机时，峰值能够完全消失，表明安装小型水平轴风力发电机对桥梁节段模型涡激共振有明显的控制效果。

5 结 论

水平轴风力机是一种有效收集风能的装置，其叶片旋转可以产生顺流向涡结构。主梁展向涡是导致涡振产生的主要原因，本文采以多叶片水平轴风力机为研究对象，采用节段模型风洞试验探究了风力机尾涡对典型大跨桥梁主梁展向涡的抑制作用，采用数值模拟观察了风力机尾流形态。数值模拟结果表明，风力机的尾流为顺流向螺旋状涡结构。试验结果表明在竖向涡振发生风速范围内，近尾流区受叶片旋转影响，风力机增加了风速的脉动，但在远尾流区降低了风速脉动；在扭转涡振发生范围内，远近尾流区的脉动均被减小；风速频谱分析结果表明风力机可以有效抑制主梁周期性涡脱，从而减弱涡激振动。