一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法
1.本发明涉及风能利用及风力机优化设计技术领域，特别涉及一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法。
背景技术：
2.风力发电机总共能归纳为两类：水平轴风力发电机与垂直轴风力发电机。就目前全球装机来看，水平轴风力发电机占据了风力发电行业的大部分份额，而垂直轴风力发电机的研究相对较少。随着风能产业的发展，我国风电装机容量屡创新高，容量相小、布置分散的分布式风力发电，已成为发电系统的一个重要的组成部分；尤其是近年来，对于屋顶风能的利用引起了国内外学者的广泛关注；不同于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有许多优势如：结构简单、安装维修方便等，更适合安装于城市的屋顶。在城市等复杂的环境下，水平轴风力机很明显的存在着发电效率低的问题，而相较之下的垂直轴风力发电机则能适应这种复杂的地理环境，尤其是它能有效地利用城市中的湍流，从而更大限度地利用风能资源。
3.当然除了垂直轴风力发电机本身的研究，如何从垂直轴风力发电机的特性，尤其是其安装在建筑屋顶的气动特性来对其优化也是一个重要的问题，到目前为止，尚缺乏建筑屋顶垂直轴风力机气动性能测量和分析有效装置和测量方法。
4.为此现阶段有关垂直轴风力机安装在建筑屋顶的合理性和可行性，亟需一种可靠性高和有效性强的建筑屋顶垂直轴风力机气动测量装置，在保证数据可靠性的基础上，实时同步测量垂直轴风力机叶片的升力、阻力、表面风压系数、功率系数和基底六分力，获得垂直轴风力机气动特性的有效数据，进而分析其在建筑屋顶的优化布置方案。
技术实现要素：
5.本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，可以精确采集多种雷诺数、风场条件下建筑屋顶垂直轴风力机的风压、气动力、功率和基底力等性能数据。
6.本发明的目的是这样实现的：一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，包括以下步骤：
7.(1)在风洞试验室中安装建筑模型，在建筑模型的顶部设计安装六分量天平；
8.(2)在六分量天平上方通过刚性底座连接垂直轴风力机模型，所述垂直轴风力机模型包括垂直轴风力机叶片、连接轴、联轴器和风机轴，所述风机轴上设置有联轴器，所述联轴器通过连接轴与垂直轴风力机叶片相连接；
9.(3)在垂直轴风力机叶片的两侧分别布置一定数量的压力测点，压力测点的顶部与风力机叶片的表面齐平，风力机叶片通过测压管与建筑模型内侧的压力扫描阀相连接；
10.(4)将压力扫描阀的管线和六分量天平的管线通过建筑模型底部转盘上的孔洞连接到外部的信号采集系统；
11.(5)在风洞实验室中按照固定湍流产生装置和地面粗糙元，产生实验过程所需要的湍流风场；
12.(6)在建筑模型和垂直轴风力机模型的前方位置布置皮托管和热线风速仪，设定不同的来流的风速大小和湍流条件，并启动风洞；
13.(7)设定六分量天平、皮托管、热线风速仪和压力扫描阀的采样频率及采样时间，采集不同工况下建筑屋顶垂直轴风力机的六种载荷分量、叶片表面压力、来流风场；
14.(8)改变来流的风速和湍流条件，待风场稳定后，重复步骤(7)，直至所需测量的各工况均完成测量；
15.(9)根据采集到的原始数据，计算垂直轴风力机表面的平均风压系数、脉动风压系数、最大风压系数和最小风压系数；计算垂直风力机受到的升力系数和阻力系数；计算建筑屋顶垂直风力机的力矩系数和功率系数；计算建筑屋顶垂直风力机的脉动风压归一化功率谱和力矩归一化功率谱，进而分析垂直轴风力机在建筑屋顶的优化布置方案。
16.作为本发明的进一步限定，所述步骤(1)具体包括：在建筑模型的内部设置支撑座，所述支撑座上连接有天平底座，所述天平底座上通过螺栓连接有六分量天平，所述六分量天平的顶面与建筑模型的顶面齐平；所述建筑模型顶面设置有预留孔，所述预留孔的直径略大于六分量天平的直径。
17.作为本发明的进一步限定，步骤(3)中所述在垂直轴风力机叶片的两侧分别布置一定数量的压力测点具体包括：垂直轴风力机叶片的压力面和吸力面对应布置测压孔，测压孔的数量和布置根据叶片的长度确定，重点关注的气流分离区域布置多个测压孔。
18.作为本发明的进一步限定，步骤(6)在建筑模型和垂直轴风力机模型的前方位置皮托管和热线风速仪，具体包括：在风洞实验中来流方向与风机顶部同等高度位置布置皮托管和热线风速仪，所述皮托管的静压孔和总压孔的信号输出端连接压力扫描阀，信号由采集系统收集并记录。
19.作为本发明的进一步限定，步骤(9)中所述计算垂直轴风力机表面的平均风压系数、脉动风压系数、最大风压系数、最小风压系数具体按照式(1)、(2)、(3)、(4)进行计算：
[0020][0021][0022][0023][0024]
式中，c
p
为风压系数，v为来流风速，m/s；p0为参考静压；ρ为空气密度；c
pmean
、c
prms
、c
pmax
和c
pmin
分别为平均风压系数、脉动风压系数、最大风压系数和最小风压系数；p
rms
、p
max
、p
min
分别为测量的平均风压、脉动风压、最大风压和最小风压。
[0025]
作为本发明的进一步限定，步骤(9)中所述计算垂直风力机受到的升力系数和阻
力系数，具体按式(5)和(6)进行计算：
[0026][0027][0028]
式中，c
l
和cd分别为升力系数和阻力系数；df
l
和dfd分别为所关心叶片局部区域(ds)测量的升力和阻力。
[0029]
作为本发明的进一步限定，步骤(9)中所述计算建筑屋顶垂直风力机的力矩系数和功率系数，具体按照式(7)和(8)进行计算：
[0030][0031][0032]
式中，a为风轮回转面的面积，r为叶尖回转半径，m为力矩，cm为力矩系数，c
p
为功率系数。
[0033]
作为本发明的进一步限定，步骤(9)中所述计算建筑屋顶垂直风力机的脉动风压归一化功率谱和力矩归一化功率谱，具体按照式(9)和(10)进行计算：
[0034][0035][0036]
式中，s
p
和sm分别为脉动风压归一化功率谱和力矩归一化功率谱，和分别为脉动风压功率谱和力矩功率谱，σ
p2
和σ
m2
分别为风压时程的均方值和力矩时程的均方值。
[0037]
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，有益效果为：垂直轴风力机底座和测力天平的重心点重合，保证六分量天平测量的准确性。建筑屋顶垂直轴风力机在气动测量过程中，容易出现基底力耦合干扰的现象，通过设置两者的连接方法，保证了垂直轴风力机模型与建筑模型在连接位置处相互不干扰，这样保证了垂直轴风力机底座不受建筑模型的刚性约束，保证测量数据的单一性。
[0038]
垂直轴风力机叶片在内外两侧分别对应设置压力测点，由于叶片内部的空间比较小，在加工叶片时需在叶片的内部通过预埋金属管的形式设置压力管道，金属管的一端连接到叶片的外表面，保证与叶片外表面平整，另外一端连接的测压管，测压管在叶片的根部统一伸出叶片，并连接的压力扫描阀上，这样可以保证整个叶片测压测量的同步性，并降低了垂直轴风力机叶片布置压力管道的穿行难度，降低了模型试验难度。同时，为了进一步降低试验成本，本试验在垂直轴风力机一个叶片布置测压孔，通过与其他叶片相互替换，完成不同空间位置下风力机叶片的气动性能的测量与分析。
[0039]
为了测量叶片旋转状态下建筑屋顶垂直轴风力机的气动性能，在预留的叶片测压金属管道的位置，可以连接薄膜压力传感器，该传感器体积小且能够实现信号的无线传输，无线信号接收装置可以布置在建筑模型的内部，如此可以获得叶片旋转工况下压力数据。这样不必更换模型，只需要改进其中一个叶片的测量方式，实现多种情况下气动性能的测量工作，提高试验效率。
[0040]
为精确测量来流风场和参考压力，风洞中来流方向和垂直轴风力顶面同等高度处设置热线风速仪和皮托管，热线风速仪和皮托管信号输出端分别与信号采集器和电子压力扫描阀连接，实现监测风场情况，如果数据结果与设定风场存在差异，通过电脑中编写的反馈程序进行数据报警，及时调整实验条件和突发情况，保证数据的风准确性。
附图说明
[0041]
图1本发明的风洞布置示意图。
[0042]
图2本发明风洞试验中建筑屋顶垂直轴风力机模型图。
[0043]
图3本发明垂直轴风力机的放大图。
[0044]
图4本发明垂直风力机在建筑屋顶的布置图。
[0045]
图5本发明垂直风力机测压叶片测点布置图。
[0046]
图6(a)(b)(c)(d)本发明中垂直风力机叶片典型位置表面压力系数的对比图。
[0047]
图7本发明的垂直风力机叶片的脉动风压功率谱对比图。
[0048]
其中，1风洞试验室，2湍流产生装置，3地面粗糙元，4垂直轴风力机，5建筑模型，6六分量天平，7天平底座，8支撑座，9压力扫描阀，10管线11信号采集系统，12皮托管，13热线风速仪，14预留孔，15垂直轴风力机叶片，16风力机底座，17联轴器，18风机轴，19连接轴，20叶片外表面压力测点，21叶片内表面压力测点，22建筑侧面预留孔。
具体实施方式
[0049]
一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，包括以下步骤：
[0050]
如图1所示，(1)在风洞试验室1中安装建筑模型5，在建筑模型5的顶部设计安装六分量天平6；在建筑模型5的内部设置支撑座8，支撑座8上连接有天平底座7，天平底座7上通过螺栓连接有六分量天平6，六分量天平6的顶面与建筑模型5的顶面齐平；建筑模型5的顶面设置有预留孔14，预留孔14的直径略大于六分量天平6的直径；保证六分量天平6不受建筑模型5的刚性约束。
[0051]
(2)在六分量天平6上方通过刚性底座连接垂直轴风力机模型，六分量天平6的上面安装垂直轴风力机底座16，垂直轴风力机模型包括垂直轴风力机叶片15、连接轴19、联轴器17和风机轴18，风机轴18上设置有联轴器17，联轴器17通过连接轴19与垂直轴风力机叶片15相连接；安装完毕的试验装置如图2、图3所示。
[0052]
(3)如图4和图5所示，在垂直轴风力机叶片15的两侧分别布置一定数量的叶片外表面压力测点20和叶片内表面压力测点21，压力测点的顶部与风力机叶片的表面齐平，垂直轴风力机叶片15通过测压管与建筑模型5内侧的压力扫描阀9相连接；具体的测压孔(压力测点)连接内径为1mm的测压管，测压管沿着连接轴19至风机轴18至风力机底座16到建筑模型5的预留孔14或建筑侧面预留孔22，然后连接到放在建筑模型5内部的压力扫描阀9。
[0053]
(4)将压力扫描阀9和六分量天平6通过管线10穿过建筑模型5底部转盘上的孔洞连接到外部的信号采集系统11。
[0054]
(5)在风洞实验室1中按照固定湍流产生装置2和地面粗糙元3，产生实验过程所需要的湍流风场。
[0055]
(6)在建筑模型5和垂直轴风力机模型的前方位置，且在风洞实验中来流方向与风机顶部同等高度位置布置皮托管12和热线风速仪13，皮托管12的静压孔和总压孔的信号输出端连接压力扫描阀9，信号由采集系统11收集并记录，在风洞实验室的风速控制面板设定不同的来流的风速大小和湍流条件，并启动风洞；该实验中设置来流风速大于垂直轴风力机启动风速。
[0056]
(7)设定六分量天平6、皮托管12和热线风速仪13和压力扫描阀9的采样频率及采样时间，采集不同工况下建筑屋顶垂直轴风力机的六种载荷分量、叶片表面压力、来流风场。
[0057]
(8)改变来流的风速和湍流条件，待风场稳定后，重复步骤(7)，直至所需测量的各工况均完成测量。
[0058]
(9)根据采集到的原始数据，计算垂直轴风力机表面的平均风压系数、脉动风压系数、最大风压系数和最小风压系数；计算垂直风力机受到的升力系数和阻力系数；计算建筑屋顶垂直风力机的力矩系数和功率系数；计算建筑屋顶垂直风力机的脉动风压归一化功率谱和力矩归一化功率谱；进而分析垂直轴风力机在建筑屋顶的优化布置方案。
[0059]
按照式(1)、(2)、(3)、(4)分别计算垂直轴风力机表面的平均风压系数、脉动风压系数、最大风压系数、最小风压系数计算风力机叶片在不同位置的表面压力系数，
[0060][0061][0062][0063][0064]
式中，c
pmean
、c
prms
、c
pmax
和c
pmin
分别为平均风压系数、脉动风压系数、最大风压系数和最小风压系数；p
rms
、p
max
、p
min
分别为测量的平均风压、脉动风压、最大风压和最下风压；p0为参考静压；ρ为空气密度；v为来流风速，m/s；
[0065]
(10)作图对比不同风场、不同叶片、同一叶片不同空间位置压力系数如图6(a)(b)(c)(d)所示，实验中风场的来流风速为8m/s，压力扫描阀的采样频率1000hz，采样时间为20s，横坐标为不同的来流风向角，纵坐标为平均风压系数、脉动风压系数、最大风压系数和最小风压系数，从图6(a)(b)(c)(d)可以看出，利用本发明测量装置所得数据可以较好的反应出垂直轴风力机叶片不在不同风向和空间位置的变化规律。
[0066]
(11)按照式(5)和(6)计算垂直风力机受到的升力系数和阻力系数，
[0067][0068][0069]
式中，c
l
和cd分别为升力系数和阻力系数；df
l
和dfd分别为所关心叶片局部区域(ds)测量的升力和阻力。
[0070]
(12)按照公式(7)和(8)计算建筑屋顶垂直风力机的力矩系数和功率系数，
[0071][0072][0073]
式中，a为风轮回转面的面积，，r为叶尖回转半径，m为力矩，cm为力矩系数，c
p
为功率系数。
[0074]
(13)按照公式(10)和(11)计算建筑屋顶垂直风力机的脉动风压归一化功率谱和力矩归一化功率谱，
[0075][0076][0077]
式中，s
p
和sm分别为脉动风压归一化功率谱和力矩归一化功率谱，和分别为脉动风压功率谱和力矩功率谱，σ
p2
和σ
m2
分别为风压时程的均方值和力矩时程的均方值。
[0078]
如图7所示，本发明的垂直风力机叶片的脉动风压功率谱对比图。实验中风场的来流风速为8m/s，压力扫描阀的采样频率1000hz，采样时间为20s，横坐标为归一化频率，纵坐标为脉动风压功率谱，从图7可以看出，利用本发明测量装置所得数据可以较好的反应出垂直轴风力机叶片不同位置处风压脉动功率分布。
[0079]
(14)数据分析和验证完成，试验结束，拆除建筑模型和垂直轴风力机模型，将试验仪器设备拆卸装盒放回原处。
[0080]
本发明提供一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，可以精确采集多种雷诺数、风场条件下建筑屋顶垂直轴风力机的风压、气动力、功率和基底力等性能数据；通过设置垂直轴风力机模型与建筑模型两者的连接方法，保证了垂直轴风力机模型与建筑模型在连接位置处相互不干扰，保证了垂直轴风力机底座不受建筑模型的刚性约束，保证测量数据的单一性。
[0081]
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
技术特征：
1.一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在风洞试验室中安装建筑模型，在建筑模型的顶部设计安装六分量天平；(2)在六分量天平上方通过刚性底座连接垂直轴风力机模型，所述垂直轴风力机模型包括垂直轴风力机叶片、连接轴、联轴器和风机轴，所述风机轴上设置有联轴器，所述联轴器通过连接轴与垂直轴风力机叶片相连接；(3)在垂直轴风力机叶片的两侧分别布置一定数量的压力测点，压力测点的顶部与风力机叶片的表面齐平，风力机叶片通过测压管与建筑模型内侧的压力扫描阀相连接；(4)将压力扫描阀的管线和六分量天平的管线通过建筑模型底部转盘上的孔洞连接到外部的信号采集系统；(5)在风洞实验室中按照固定湍流产生装置和地面粗糙元，产生实验过程所需要的湍流风场；(6)在建筑模型和垂直轴风力机模型的前方位置布置皮托管和热线风速仪，设定不同的来流的风速大小和湍流条件，并启动风洞；(7)设定六分量天平、皮托管、热线风速仪和压力扫描阀的采样频率及采样时间，采集不同工况下建筑屋顶垂直轴风力机的六种载荷分量、叶片表面压力、来流风场；(8)改变来流的风速和湍流条件，待风场稳定后，重复步骤(7)，直至所需测量的各工况均完成测量；(9)根据采集到的原始数据，计算垂直轴风力机表面的平均风压系数、脉动风压系数、最大风压系数和最小风压系数；计算垂直风力机受到的升力系数和阻力系数；计算建筑屋顶垂直风力机的力矩系数和功率系数；计算建筑屋顶垂直风力机的脉动风压归一化功率谱和力矩归一化功率谱，进而分析垂直轴风力机在建筑屋顶的优化布置方案。2.根据权利要求1所述的一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：在建筑模型的内部设置支撑座，所述支撑座上连接有天平底座，所述天平底座上通过螺栓连接有六分量天平，所述六分量天平的顶面与建筑模型的顶面齐平；所述建筑模型顶面设置有预留孔，所述预留孔的直径略大于六分量天平的直径。3.根据权利要求1所述的一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，其特征在于，步骤(3)中所述在垂直轴风力机叶片的两侧分别布置一定数量的压力测点具体包括：垂直轴风力机叶片的压力面和吸力面对应布置测压孔，测压孔的数量和布置根据叶片的长度确定，重点关注的气流分离区域布置多个测压孔。4.根据权利要求1所述的一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，其特征在于，步骤(6)在建筑模型和垂直轴风力机模型的前方位置布置皮托管和热线风速仪，具体包括：在风洞实验中来流方向与风机顶部同等高度位置布置皮托管和热线风速仪，所述皮托管的静压孔和总压孔的信号输出端连接压力扫描阀，信号由采集系统收集并记录。5.根据权利要求1所述的一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，其特征在于，步骤(9)中所述计算垂直轴风力机表面的平均风压系数、脉动风压系数、最大风压系数、最小风压系数具体按照式(1)、(2)、(3)、(4)进行计算：
式中，c
p
为风压系数，v为来流风速，m/s；p0为参考静压；ρ为空气密度；c
pmean
、c
prms
、c
pmax
和c
pmin
分别为平均风压系数、脉动风压系数、最大风压系数和最小风压系数；p
rms
、p
max
、p
min
分别为测量的平均风压、脉动风压、最大风压和最小风压。6.根据权利要求1所述的一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，其特征在于，步骤(9)中所述计算垂直风力机受到的升力系数和阻力系数，具体按式(5)和(6)进行计算：算：式中，c
l
和c
d
分别为升力系数和阻力系数；df
l
和df
d
分别为所关心叶片局部区域(ds)测量的升力和阻力。7.根据权利要求1所述的一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，其特征在于，步骤(9)中所述计算建筑屋顶垂直风力机的力矩系数和功率系数，具体按照式(7)和(8)进行计算：进行计算：式中，a为风轮回转面的面积，r为叶尖回转半径，m为力矩，c
m
为力矩系数，c
p
为功率系数。8.根据权利要求1所述的一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，其特征在于，步骤(9)中所述计算建筑屋顶垂直风力机的脉动风压归一化功率谱和力矩归一化功率谱，具体按照式(9)和(10)进行计算：谱，具体按照式(9)和(10)进行计算：式中，s
p
和s
m
分别为脉动风压归一化功率谱和力矩归一化功率谱，和分别为脉
动风压功率谱和力矩功率谱，σ
p2
和σ
m2
分别为风压时程的均方值和力矩时程的均方值。
技术总结
本发明公开了一种建筑屋顶垂直轴风力机气动性能的测量方法，包括（1）在风洞实验中安装固定建筑模型，在建筑模型的顶部设计安装六分量天平；（2）在天平上方通过刚性底座连接垂直轴风力机模型；（3）在垂直轴风力机叶片布置压力测点，另外一端通过软管连接到压力扫描阀；（4）压力扫描阀的线路、六分量天平的线路通过转盘上的预留孔连接在外部的采集系统上；（5）在风洞中调整所需风场并启动风速，根据风速比设定风速大小；（6）根据频率比设定天平、风速和风压测点的采样频率及采样时间，同步采集当前风场下的建筑屋顶垂直轴风力机的基底力、表面压力、来流风速；本发明可以多点同步测量各种风场下建筑屋顶风力机的气动性能。各种风场下建筑屋顶风力机的气动性能。各种风场下建筑屋顶风力机的气动性能。
