CN114323537B - 一种风力机沙尘实验流动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种风力机沙尘实验流动控制系统及方法，系统包括储沙斗、漏沙管、沙量调节齿轮、沙量调节电机、喷沙嘴、空压机、截止阀、压力调节阀、计算机及PIV测量仪。方法为：标定流量；填装沙尘；启动空压机，关闭压力调节阀并打开截止阀；启动直流开口风洞至设定实验风速；开启压力调节阀至10％开度，以实验所需最小流量喷沙；通过PIV测量仪获取沙尘轨迹线和沙尘流速；调整压力调节阀开度使沙尘流速与实验风速一致；调整喷嘴角度获取最佳实验位置；逐级提高沙尘质量流量直至获取实验风速下最大沙尘承载重量；调整实验风速后重复上述步骤；调整沙尘粒径后重复上述步骤：整理数据建立关系曲线；编制控制程序；安装风力机实验装置；按照程序开展风力机沙尘实验。

Description

一种风力机沙尘实验流动控制系统及方法

技术领域

本发明属于风力机沙尘实验技术领域，特别是涉及一种风力机沙尘实验流动控制系统及方法。

背景技术

目前，在内陆风电场场址中，许多风场内都伴随着沙尘环境，而且风场条件越好则风沙越大，而沙尘环境对风力机的影响是不可避免的，因此开展风力机沙尘实验十分必要。

传统的风力机沙尘实验主要采用自然扬沙进行给沙，但这种给沙方式缺点较为明显，其会随着沙尘粒径的变化导致沙尘流动轨迹的不确定性，而且自然扬沙对风场的影响冲击较大，易造成流场局部的不均匀，存在流速过低的现象，并且自然扬沙受重力影响较大，而且绝对流速不可控，导致沙尘运动与气流流动不匹配，造成风力机沙尘实验的数据测量真实性下降。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种风力机沙尘实验流动控制系统及方法，能够提高沙尘与气流混合时的速度均匀性，使沙尘运动与气流流动相匹配，进一步提高风力机沙尘实验的数据测量真实性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种风力机沙尘实验流动控制系统，包括储沙斗、漏沙管、沙量调节齿轮、沙量调节电机、喷沙嘴、空压机、截止阀、压力调节阀、计算机及PIV测量仪；所述储沙斗固定架设在直流开口风洞的实验段外部上方，储沙斗底部共设置有三处出沙口，每个出沙口均竖直连接有一根漏沙管，漏沙管底端延伸至直流开口风洞的实验段内部，每根漏沙管的顶部均安装有一个沙量调节齿轮，每根漏沙管的底部均安装有一个喷沙嘴，喷沙嘴上配置有喷嘴角度调节电机，三个喷沙嘴在直流开口风洞的实验段内部采用三角式布局，三个沙量调节齿轮的齿轮轴通过皮带带轮机构进行传动连接，所述沙量调节电机的电机轴与任意一个沙量调节齿轮的齿轮轴同轴固连；所述喷沙嘴的进气口通过输气管与压力调节阀的出气口相连通，压力调节阀的进气口与截止阀的出气口相连通，截止阀的进气口与空压机的出气口相连通；所述压力调节阀及沙量调节电机的信号控制端与计算机进行电连接；所述PIV测量仪位于喷沙嘴后方且安装在直流开口风洞的实验段顶部。

一种风力机沙尘实验流动控制方法，采用了所述的风力机沙尘实验流动控制系统，包括如下步骤：

步骤一：标定沙尘给料流量；

步骤二：在储沙斗内装入粒径为d₁的沙尘；

步骤三：启动空压机，将输出压力调整到设定值，关闭压力调节阀，打开截止阀；

步骤四：启动直流开口风洞，将实验风速调整到设定值v₁；

步骤五：开启压力调节阀，将其开度设定到最大开度的10％；

步骤六：启动沙量调节电机，使沙量调节齿轮的转速满足实验所需最小沙尘质量流量时的沙尘释放，随着沙尘的释放，在压缩空气驱动下，通过喷沙嘴进行喷沙；

步骤七：启动PIV测量仪，通过PIV测量仪获取沙尘流场图形，同时获取沙尘轨迹线和沙尘流速；

步骤八：调整压力调节阀的开度，改变压缩空气的输出压力，进而改变喷沙嘴的沙尘喷出速度，直到沙尘流速与实验风速大小一致；

步骤九：调整喷沙嘴的喷嘴角度，使沙尘轨迹线的切线在其对应的截面内呈水平，此截面则作为最佳实验位置；

步骤十：增加沙量调节齿轮的转速，提高沙尘质量流量，且沙尘质量流量的增加量为实验所需最小沙尘质量流量的5％；

步骤十一：重复步骤七和步骤十，随着沙尘质量流量的不断递增，直到沙尘轨迹线和沙尘流速超出实验需求值的5％，此时的沙尘质量流量作为实验风速v₁下的最大沙尘承载重量；

步骤十二：重复步骤二至步骤十一，重复次数至少为四次，区别在于需要调整实验风速，调整后的实验风速依次记为v₂、v₃、v₄、v₅······v_n；

步骤十三：重复步骤二至步骤十二，重复次数为四次，区别在于需要调整沙尘粒径，调整后的沙尘粒径依次记为d₂、d₃、d₄和d₅；

步骤十四：整理数据，包含沙尘粒径为d₁、d₂、d₃、d₄和d₅的所有实验数据，且在同一沙尘粒径下，都需要完成压力调节阀开度与实验风速关系曲线、喷沙嘴的喷嘴角度与实验风速关系曲线、沙尘质量流量与实验风速关系曲线、最佳实验位置与实验风速关系曲线的建立；

步骤十五：根据步骤十四中建立的全部关系曲线，在计算机中编制风力机沙尘实验流动控制程序，且风力机沙尘实验流动控制程序中的自动控制参数包括实验风速、沙尘粒径、喷嘴角度、沙尘质量流量、最佳实验位置；

步骤十六：在直流开口风洞的实验段内安装风力机实验装置，且风力机实验装置需要根据之前确定的最佳实验位置进行安装；

步骤十七：按照计算机中编制的风力机沙尘实验流动控制程序，对安装好的风力机实验装置开展风力机沙尘实验。

在步骤一中，沙尘给料流量的标定过程为：

步骤1：将粒径为d₁的沙尘装入储沙斗内；

步骤2：启动沙量调节电机，将沙量调节齿轮的转速控制为n₁，沙量调节齿轮每转过一个调节齿，便实现一次沙尘的定量释放，随着沙量调节齿轮的连续转动，便实现沙尘的连续定量释放；

步骤3：在转速n₁下，将沙尘的释放时间设为60s，释放时间结束后立即关停沙量调节电机，同时测量并记录n₁转速下的沙尘释放总质量m₁₁；

步骤4：重复步骤3，重复次数为两次，两次沙尘释放总质量分别记为m₁₂和m₁₃；

步骤5：重复步骤2-4，重复次数为四次，区别在于需要调整沙量调节齿轮的转速，调整后的转速依次记为n₂、n₃、n₄和n₅，n₂转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₂₁、m₂₂和m₂₃，n₃转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₃₁、m₃₂和m₃₃，n₄转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₄₁、m₄₂和m₄₃，n₅转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₅₁、m₅₂和m₅₃；

步骤6：计算粒径为d₁的沙尘质量流量；当转速为n₁时，沙尘质量流量为m₁，且m₁＝(m₁₁+m₁₂+m₁₃)/60/3；当转速为n₂时，沙尘质量流量为m₂，且m₂＝(m₂₁+m₂₂+m₂₃)/60/3；当转速为n₃时，沙尘质量流量为m₃，且m₃＝(m₃₁+m₃₂+m₃₃)/60/3；当转速为n₄时，沙尘质量流量为m₄，且m₄＝(m₄₁+m₄₂+m₄₃)/60/3；当转速为n₅时，沙尘质量流量为m₅，且m₅＝(m₅₁+m₅₂+m₅₃)/60/3；

步骤7：重复步骤1-6，重复次数为四次，区别在于需要调整沙尘的粒径，调整后的沙尘粒径依次记为d₂、d₃、d₄和d₅；

步骤8：建立转速与沙尘流量质量的关系式，具体为：n＝km+c，式中，n为转速，k为斜率，m为质量流量，c为常数。

本发明的有益效果：

本发明的风力机沙尘实验流动控制系统及方法，能够提高沙尘与气流混合时的速度均匀性，使沙尘运动与气流流动相匹配，进一步提高风力机沙尘实验的数据测量真实性。

附图说明

图1为本发明的一种风力机沙尘实验流动控制系统的结构示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图中，1—储沙斗，2—漏沙管，3—沙量调节齿轮，4—沙量调节电机，5—喷沙嘴，6—空压机，7—截止阀，8—压力调节阀，9—计算机，10—PIV测量仪，11—直流开口风洞，12—皮带带轮机构，13—输气管，14—风力机实验装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种风力机沙尘实验流动控制系统，包括储沙斗1、漏沙管2、沙量调节齿轮3、沙量调节电机4、喷沙嘴5、空压机6、截止阀7、压力调节阀8、计算机9及PIV测量仪10；所述储沙斗1固定架设在直流开口风洞11的实验段外部上方，储沙斗1底部共设置有三处出沙口，每个出沙口均竖直连接有一根漏沙管2，漏沙管2底端延伸至直流开口风洞11的实验段内部，每根漏沙管2的顶部均安装有一个沙量调节齿轮3，每根漏沙管2的底部均安装有一个喷沙嘴5，喷沙嘴5上配置有喷嘴角度调节电机，三个喷沙嘴5在直流开口风洞11的实验段内部采用三角式布局，三个沙量调节齿轮3的齿轮轴通过皮带带轮机构12进行传动连接，所述沙量调节电机4的电机轴与任意一个沙量调节齿轮3的齿轮轴同轴固连；所述喷沙嘴5的进气口通过输气管13与压力调节阀8的出气口相连通，压力调节阀8的进气口与截止阀7的出气口相连通，截止阀7的进气口与空压机6的出气口相连通；所述压力调节阀8及沙量调节电机4的信号控制端与计算机9进行电连接；所述PIV测量仪10位于喷沙嘴5后方且安装在直流开口风洞11的实验段顶部。

一种风力机沙尘实验流动控制方法，采用了所述的风力机沙尘实验流动控制系统，包括如下步骤：

步骤一：标定沙尘给料流量，具体过程如下：

步骤1：将粒径为d₁的沙尘装入储沙斗1内；

步骤2：启动沙量调节电机4，将沙量调节齿轮3的转速控制为n₁，沙量调节齿轮3每转过一个调节齿，便实现一次沙尘的定量释放，随着沙量调节齿轮3的连续转动，便实现沙尘的连续定量释放；

步骤3：在转速n₁下，将沙尘的释放时间设为60s，释放时间结束后立即关停沙量调节电机4，同时测量并记录n₁转速下的沙尘释放总质量m₁₁；

步骤4：重复步骤3，重复次数为两次，两次沙尘释放总质量分别记为m₁₂和m₁₃；

步骤5：重复步骤2-4，重复次数为四次，区别在于需要调整沙量调节齿轮3的转速，调整后的转速依次记为n₂、n₃、n₄和n₅，n₂转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₂₁、m₂₂和m₂₃，n₃转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₃₁、m₃₂和m₃₃，n₄转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₄₁、m₄₂和m₄₃，n₅转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₅₁、m₅₂和m₅₃；

步骤6：计算粒径为d₁的沙尘质量流量；当转速为n₁时，沙尘质量流量为m₁，且m₁＝(m₁₁+m₁₂+m₁₃)/60/3；当转速为n₂时，沙尘质量流量为m₂，且m₂＝(m₂₁+m₂₂+m₂₃)/60/3；当转速为n₃时，沙尘质量流量为m₃，且m₃＝(m₃₁+m₃₂+m₃₃)/60/3；当转速为n₄时，沙尘质量流量为m₄，且m₄＝(m₄₁+m₄₂+m₄₃)/60/3；当转速为n₅时，沙尘质量流量为m₅，且m₅＝(m₅₁+m₅₂+m₅₃)/60/3；

步骤7：重复步骤1-6，重复次数为四次，区别在于需要调整沙尘的粒径，调整后的沙尘粒径依次记为d₂、d₃、d₄和d₅；

步骤8：建立转速与沙尘流量质量的关系式，具体为：n＝km+c，式中，n为转速，k为斜率，m为质量流量，c为常数；

步骤二：在储沙斗1内装入粒径为d₁的沙尘；

步骤三：启动空压机6，将输出压力调整到设定值，关闭压力调节阀8，打开截止阀7；

步骤四：启动直流开口风洞11，将实验风速调整到设定值v₁；

步骤五：开启压力调节阀8，将其开度设定到最大开度的10％；

步骤六：启动沙量调节电机4，使沙量调节齿轮3的转速满足实验所需最小沙尘质量流量时的沙尘释放，随着沙尘的释放，在压缩空气驱动下，通过喷沙嘴5进行喷沙；

步骤七：启动PIV测量仪10，通过PIV测量仪10获取沙尘流场图形，同时获取沙尘轨迹线和沙尘流速；

步骤八：调整压力调节阀8的开度，改变压缩空气的输出压力，进而改变喷沙嘴5的沙尘喷出速度，直到沙尘流速与实验风速大小一致；

步骤九：调整喷沙嘴5的喷嘴角度，使沙尘轨迹线的切线在其对应的截面内呈水平，此截面则作为最佳实验位置；

步骤十：增加沙量调节齿轮3的转速，提高沙尘质量流量，且沙尘质量流量的增加量为实验所需最小沙尘质量流量的5％；

步骤十一：重复步骤七和步骤十，随着沙尘质量流量的不断递增，直到沙尘轨迹线和沙尘流速超出实验需求值的5％，此时的沙尘质量流量作为实验风速v₁下的最大沙尘承载重量；

步骤十二：重复步骤二至步骤十一，重复次数至少为四次，区别在于需要调整实验风速，调整后的实验风速依次记为v₂、v₃、v₄、v₅······v_n；

步骤十三：重复步骤二至步骤十二，重复次数为四次，区别在于需要调整沙尘粒径，调整后的沙尘粒径依次记为d₂、d₃、d₄和d₅；

步骤十四：整理数据，包含沙尘粒径为d₁、d₂、d₃、d₄和d₅的所有实验数据，且在同一沙尘粒径下，都需要完成压力调节阀8开度与实验风速关系曲线、喷沙嘴5的喷嘴角度与实验风速关系曲线、沙尘质量流量与实验风速关系曲线、最佳实验位置与实验风速关系曲线的建立；

步骤十五：根据步骤十四中建立的全部关系曲线，在计算机9中编制风力机沙尘实验流动控制程序，且风力机沙尘实验流动控制程序中的自动控制参数包括实验风速、沙尘粒径、喷嘴角度、沙尘质量流量、最佳实验位置；

步骤十六：在直流开口风洞11的实验段内安装风力机实验装置14，且风力机实验装置14需要根据之前确定的最佳实验位置进行安装；

步骤十七：按照计算机9中编制的风力机沙尘实验流动控制程序，对安装好的风力机实验装置14开展风力机沙尘实验。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种风力机沙尘实验流动控制系统，其特征在于：包括储沙斗、漏沙管、沙量调节齿轮、沙量调节电机、喷沙嘴、空压机、截止阀、压力调节阀、计算机及PIV测量仪；所述储沙斗固定架设在直流开口风洞的实验段外部上方，储沙斗底部共设置有三处出沙口，每个出沙口均竖直连接有一根漏沙管，漏沙管底端延伸至直流开口风洞的实验段内部，每根漏沙管的顶部均安装有一个沙量调节齿轮，每根漏沙管的底部均安装有一个喷沙嘴，喷沙嘴上配置有喷嘴角度调节电机，三个喷沙嘴在直流开口风洞的实验段内部采用三角式布局，三个沙量调节齿轮的齿轮轴通过皮带带轮机构进行传动连接，所述沙量调节电机的电机轴与任意一个沙量调节齿轮的齿轮轴同轴固连；所述喷沙嘴的进气口通过输气管与压力调节阀的出气口相连通，压力调节阀的进气口与截止阀的出气口相连通，截止阀的进气口与空压机的出气口相连通；所述压力调节阀及沙量调节电机的信号控制端与计算机进行电连接；所述PIV测量仪位于喷沙嘴后方且安装在直流开口风洞的实验段顶部。

2.一种风力机沙尘实验流动控制方法，采用了权利要求1所述的风力机沙尘实验流动控制系统，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：标定沙尘给料流量；

步骤二：在储沙斗内装入粒径为d₁的沙尘；

步骤三：启动空压机，将输出压力调整到设定值，关闭压力调节阀，打开截止阀；

步骤四：启动直流开口风洞，将实验风速调整到设定值v₁；

步骤五：开启压力调节阀，将其开度设定到最大开度的10％；

步骤六：启动沙量调节电机，使沙量调节齿轮的转速满足实验所需最小沙尘质量流量时的沙尘释放，随着沙尘的释放，在压缩空气驱动下，通过喷沙嘴进行喷沙；

步骤七：启动PIV测量仪，通过PIV测量仪获取沙尘流场图形，同时获取沙尘轨迹线和沙尘流速；

步骤八：调整压力调节阀的开度，改变压缩空气的输出压力，进而改变喷沙嘴的沙尘喷出速度，直到沙尘流速与实验风速大小一致；

步骤九：调整喷沙嘴的喷嘴角度，使沙尘轨迹线的切线在其对应的截面内呈水平，此截面则作为最佳实验位置；

步骤十：增加沙量调节齿轮的转速，提高沙尘质量流量，且沙尘质量流量的增加量为实验所需最小沙尘质量流量的5％；

步骤十一：重复步骤七和步骤十，随着沙尘质量流量的不断递增，直到沙尘轨迹线和沙尘流速超出实验需求值的5％，此时的沙尘质量流量作为实验风速v₁下的最大沙尘承载重量；

步骤十二：重复步骤二至步骤十一，重复次数至少为四次，区别在于需要调整实验风速，调整后的实验风速依次记为v₂、v₃、v₄、v₅······v_n；

步骤十三：重复步骤二至步骤十二，重复次数为四次，区别在于需要调整沙尘粒径，调整后的沙尘粒径依次记为d₂、d₃、d₄和d₅；

步骤十四：整理数据，包含沙尘粒径为d₁、d₂、d₃、d₄和d₅的所有实验数据，且在同一沙尘粒径下，都需要完成压力调节阀开度与实验风速关系曲线、喷沙嘴的喷嘴角度与实验风速关系曲线、沙尘质量流量与实验风速关系曲线、最佳实验位置与实验风速关系曲线的建立；

步骤十五：根据步骤十四中建立的全部关系曲线，在计算机中编制风力机沙尘实验流动控制程序，且风力机沙尘实验流动控制程序中的自动控制参数包括实验风速、沙尘粒径、喷嘴角度、沙尘质量流量、最佳实验位置；

步骤十六：在直流开口风洞的实验段内安装风力机实验装置，且风力机实验装置需要根据之前确定的最佳实验位置进行安装；

步骤十七：按照计算机中编制的风力机沙尘实验流动控制程序，对安装好的风力机实验装置开展风力机沙尘实验。

3.根据权利要求2所述的一种风力机沙尘实验流动控制方法，其特征在于：在步骤一中，沙尘给料流量的标定过程为：

步骤1：将粒径为d₁的沙尘装入储沙斗内；

步骤2：启动沙量调节电机，将沙量调节齿轮的转速控制为n₁，沙量调节齿轮每转过一个调节齿，便实现一次沙尘的定量释放，随着沙量调节齿轮的连续转动，便实现沙尘的连续定量释放；

步骤3：在转速n₁下，将沙尘的释放时间设为60s，释放时间结束后立即关停沙量调节电机，同时测量并记录n₁转速下的沙尘释放总质量m₁₁；

步骤4：重复步骤3，重复次数为两次，两次沙尘释放总质量分别记为m₁₂和m₁₃；

步骤5：重复步骤2-4，重复次数为四次，区别在于需要调整沙量调节齿轮的转速，调整后的转速依次记为n₂、n₃、n₄和n₅，n₂转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₂₁、m₂₂和m₂₃，n₃转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₃₁、m₃₂和m₃₃，n₄转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₄₁、m₄₂和m₄₃，n₅转速下的三次沙尘释放总质量依次为m₅₁、m₅₂和m₅₃；

步骤6：计算粒径为d₁的沙尘质量流量；当转速为n₁时，沙尘质量流量为m₁，且m₁＝(m₁₁+m₁₂+m₁₃)/60/3；当转速为n₂时，沙尘质量流量为m₂，且m₂＝(m₂₁+m₂₂+m₂₃)/60/3；当转速为n₃时，沙尘质量流量为m₃，且m₃＝(m₃₁+m₃₂+m₃₃)/60/3；当转速为n₄时，沙尘质量流量为m₄，且m₄＝(m₄₁+m₄₂+m₄₃)/60/3；当转速为n₅时，沙尘质量流量为m₅，且m₅＝(m₅₁+m₅₂+m₅₃)/60/3；

步骤7：重复步骤1-6，重复次数为四次，区别在于需要调整沙尘的粒径，调整后的沙尘粒径依次记为d₂、d₃、d₄和d₅；

步骤8：建立转速与沙尘流量质量的关系式，具体为：n＝km+c，式中，n为转速，k为斜率，m为质量流量，c为常数。