七孔探针风电资源调查及风场特性探究一种新技术.docVIP

七孔探针风电资源调查及风场特性探究一种新技术七孔探针是一种高性能的流场测量仪器，它能测量出三维流场中气流方向、气流速度、总压和静压。与激光多普勒测速仪（LDV）、粒子成像测速仪（PIV）以及热线风速仪相比，七孔探针有它自身的优越性，价格便宜，设备简单，测量方法简单，对环境要求低，精度很高，流场测量参数全面，而且测量过程中来流相对于探针轴线的角度可以达到70°－80°。因此从上世纪80年代以来七孔探针一直被广泛用于大角度复杂流动的测量。由于上述优点，七孔探针可以用来测量野外自然风的速度大小和方向，为我国开展风力资源调查和风场特性研究提供了一种新技术。 一、七孔探针的基本工作原理 七孔探针的外形及坐标系如图1所示。它依靠其头部七个孔所感受的气流压力的相对大小判断气流速度的大小与方向，并根据参考压力和速度的值得到头部附近气流的平均压力大小。 首先，通过给定来流条件，确定参考压强和参考速度的大小，并通过比较各孔压力的相对大小按最高压力孔的位置判断来流速度所属的分区（见图2）。因此七孔探针可测量的角度空间分为七个区域。其中内区为以7号孔中心的7区，对应小流动角范围；外区为以其它各孔为中心的1-6区，对应大流动角范围。然后将各孔压力转换为无量纲系数cα、cβ、co、cq（内区）和cθ、cφ、co、cq（外区）的不同形式。 在内区的小角度下，需要根据七个测压孔的压力Pi(i=1， …，7)，按照下式算出各个压力系数c、c、co、cq，用于确定气流的迎角α和侧滑角β(如图1所示)。式中为周围６个孔压力的算术平均值，PoL、P∞L分别代表当地的实际总压和静压。 在外区大流动角下，由于探针有三个测压孔处于分离区内，因此仅能根据迎风的四孔压力值确定气流的俯仰角θ和滚转角φ，由下式算出各区的c、c、co和cq，其中下标n代表来流对应的区号，n=1-6，n+1和n-1分别为其左右两相邻孔的孔号。 气流的迎角和侧滑角（或外区的俯仰角和滚转角）总压系数co和动压系数cq均可用下式表达为c、c（内区）或c、c（外区）的多项式的形式。下标i表示状态数。 构造同一分区的m个不同状态的校准方程组 求解得到校准系数K。有了校准系数K，根据测量中得到的各种压力系数C，就可以得到A的值。对小流动角（内区）：A表示α、β、Co和Cq；对大流动角（外区）：A表示θ、φ、Co和Cq 二、七孔探针的校准 七孔探针的加工精度要求十分严格，制造完成后须在显微镜下进行批量筛选，来保证探头校准精度和成功率，校准较为复杂和耗时。 根据七孔探针测定的各个流动角下的七孔压力，将测量结果整理成无因次压力系数。要确定的流动角、总压、静压可用上述压力系数的四次多项式表示。每个区只需用其两个对应的压力系数作为变量，内区用Cα和Cβ表示。校准方法采用最小二乘法进行曲线拟合，采用四次多项式来确定各区参数。 KA是校准系数，在每个区中对应不同的A分别有15个校正系数，因而每个区有60个校准系数。一根探针共有420个系数，这些系数通过校准得到。 进行校准实验时，若在每个区各测量n个点的数据，根据最小二乘法拟合实验数据原理，现在校准系数是未知数，对于一个流动参数有15个，测点n必须大于15。用最小二乘法进行拟合时，为提高精度要求（n-15）20。 每个点数据含七个压力值，即探针七个孔分别所测得的压力，整理得到Cα，Cβ，Co，Cq（内区）和Cθ，Cφ，Co，Cq（外区），可用矩阵形式表示： 三、七孔探针的测量实例 本次使用的七孔探针用不锈钢做成，探针外径4mm，七个孔的内径相同，都为0.6mm。每个测压孔的压力通过尼龙软管连接到压力传感器。压力传感器的信号经过放大后，由数据采集卡采集，再经过计算机处理，得到结果。校测的误差来源主要有压力传感器和放大器的精度、非线性度、重复率、温漂以及数据采集卡(A/D)的分辨力(位数)。为此，在校准探针时，应采用多通道高精度压力传感器及16位数据采集系统采集数据。通过优化实验过程，编制相应的探针校准和测量程序，提高了探针校准拟合精度和测量精度。校准结果表明，所用的七孔探针的角度误差小于0.3度，而速度的误差小于1%。 本次测量是对风力机叶片的叶尖下游流场进行了测量，结果如图4所示。清楚地表明了叶尖涡的存在和特点。图中左边为叶尖涡横截面速度矢，右边为总压分布。 由于七孔探针的优点，使它特别适合测量复杂的空气流动。因此，可以得出结论，七孔探针可以用来测量野外自然风的速度大小和方向，为我国开展风力资源调查和风场特性研究提供了一种新技术。 （作者单位：南京信息职业技术学院机电工程系） 1