[发明专利]一种用于风电叶片全局流场的高精度混合测试方法

说明书

本申请实施例中提供了一种用于风电叶片全局流场的高精度混合测试方法，属于风电叶片测量技术领域，包括：采用PIV测试技术进行外部流场测试，选取PIV实验测试参数，获得旋转风电叶片的周围流场测试数据；采用CFD计算方法进行近壁区边界层流场计算，确定初始边界条件，结合表征旋转风电叶片的流场N‑S动量方程，完成近壁区边界层流场的计算；采用最小二乘法和泊松方程进行重叠区域流场重构；将旋转风电叶片周围流场测试数据、近壁区边界层流场数据和重构的流场数据进行合并，得到旋转风电叶片的全局流场。通过本申请的处理方案，提高了风电叶片周围流场数值计算的便捷性与计算结果的准确性，有效的减少了对叶片流场测试的工作量。

技术领域

本申请涉及风电叶片测量技术领域，尤其涉及一种用于风电叶片全局流场的高精度混合测试方法。

背景技术

在风力机、螺旋桨等旋转机械领域当中，叶片的气动力性能直接影响旋转机构的功率输出与稳定运行。不同旋转机械领域中的叶片运行环境复杂多变，导致叶片表面的流动状态不尽相同，能够准确有效获得旋转叶片周围以及表面边界层的速度场，是实现风力机、螺旋桨等旋转机械领域当中叶片气动设计与流动机理研究的基础。

目前，通过实验流场测试与流场数值计算是两种主要的研究手段，然而，这两种方法均存在各自的问题与缺陷：对于旋转叶片流场的实验测试方法，PIV(Particle ImageVelocimetry，粒子图像测速法)是一种非接触流场测试技术，能够很好地获得二维平面以及三维空间内的流场数据，在旋转叶片流场测试中得到了较为广泛地应用。然而，PIV技术的流场测试精度受到较多因素的影响，如激光强度、激光质量，示踪粒子种类、浓度，以及相机与激光同步配合精度等等，并且PIV测试设备对于实验环境的要求较为苛刻，测试结果受到流场状态的影响较大。由于风电叶片的旋转效应，往往导致叶片表面示踪粒子浓度明显下降，当叶片旋转速度较高时，叶片表面的示踪粒子浓度很难满足实验要求，进而使旋转叶片表面的流场测试结果精度受到较大影响。此外，PIV技术需要将激光投射至叶片表面，在叶片近壁区会出现明显的反光现象，较强的反光导致无法清晰的获得叶片近壁区流场，使得无法开展旋转风电叶片表面边界层附近流动的研究工作。

对于旋转风电叶片流场的数值计算方法，根据不同的计算精度需求和不同流动结构尺度的大小，可以采用不同的数值计算方法，获得叶片周围以及表面边界层中精度较高的速度场结果。然而，利用数值计算方法对旋转风电叶片流场进行获取时同样存在较多问题，首先，计算网格的划分是数值模拟需要最先完成的工作，由于风电叶片具有复杂的三维结构外形，从叶尖至叶根存在明显的扭角变化，并且叶片不同展向位置处的弦长也不尽相同，这给计算网格的划分带来较大难度。此外，为了提高计算结果的准确性，需要对特殊位置网格进行加密处理，这在很大程度上增加了计算的网格量，导致计算量大幅度增加，计算耗时延长；其次，由于三维叶片外形的复杂性，很难保证所有位置处网格划分的质量，而较差的网格质量直接影响计算精度与计算结果的准确性；最后，为了获得旋转风电叶片周围的整体流场信息，需要扩大计算域面积，直接导致计算网格量的增加，这使计算量与计算时间大幅度增加。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种用于风电叶片全局流场的高精度混合测试方法，至少部分解决现有技术中存在的问题。该方法可适用于动态旋转的二维风电翼型、三维风电翼段、以及三维风电叶片的流场测试。

本申请实施例提供一种用于风电叶片全局流场的高精度混合测试方法，所述测试方法包括：

确定旋转风电叶片的外部流场测试区、近壁区边界层流场计算区、以及所述外部流场测试与所述近壁区边界层流场计算的重叠区域的流场重构区；

进行所述外部流场测试，采用PIV测试技术，选取PIV实验测试参数，获得所述旋转风电叶片的周围流场测试数据；

进行所述近壁区边界层流场计算，采用CFD计算方法，确定初始边界条件，结合表征所述旋转风电叶片的流场N-S动量方程，如下公式所示：