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光伏跟踪器风洞实验的那些事儿(2) | 737-Max也要遵循的“相似原理”

John Smart  小树洞谈光伏支架   引言 荷载规范是钢结构设计计算的指导标准,但是对于光伏跟踪器而言,荷载规范有着许多使用缺陷,无法满足其正常的设计要求。因此,跟踪器需要进行合理合规的风洞测试…

John Smart  小树洞谈光伏支架

 

引言

荷载规范是钢结构设计计算的指导标准,但是对于光伏跟踪器而言,荷载规范有着许多使用缺陷,无法满足其正常的设计要求。因此,跟踪器需要进行合理合规的风洞测试来获取计算信息。对于没有接触过风洞实验的朋友,往往对风洞测试的结果有所怀疑,那么在风洞的背后,又是什么原理来保证跟踪器测试数据的准确性呢?

相似原理

最近波音737 Max8的新闻揪动着全世界,然而时光倒回2016年,第一架737 Max8首飞时,它的各项性能之优秀,简直可以称为目前航空飞行器领域的天之骄子。而其中一项重要的黑科技就是737 Max系列的新型双羽状翼尖小翼:AT Winglet。

▵737 Max8的AT翼尖小翼

翼尖小翼设计能够减少涡流带来的升力诱导阻力,而AT Winglets更是给737 Max系列带来额外的1.5%提升效率。想要设计这样复杂的翼尖小翼,必须进行无数次吹风测试,来掌握其精确的空气动力学数据,并不停的进行设计迭代。

▵翼尖小翼减少涡流阻力(来源:Airbus)

然而将整架波音737 Max8放进风洞里显然是不实际的,所以只能将实际原型缩小化。那么风洞测试是如何保证缩小模型的测试结果满足实际原型的设计需求呢,人们经过长期的科学实验,终于探索和总结出了指导模型流体力学实验的理论,也就是“相似原理(Similarity Principle)”。

▵AT Winglet的风洞测试设备

相似原理主要包括三大部分:

  • 几何相似(Geometric Similarity)
  • 运动相似(Kinematic Similarity)
  • 动力相似(Dynamic Similarity)

看完下面的介绍,我们就能了解到,只要确定了模型(Model)与原型(Prototype)的“长度比”、“速度比”和“密度比”这三组比例尺,便可由它们来确定所有与空气动力学相关的比例尺。

几何相似-长度比例尺

几何相似,指的是吹风模型和原型之间对应的长度比例相等。这里需要注意的是,由于风洞试验段的尺寸都不大,如果风洞内模型做的太大,则流经模型的气流会受到风洞壁面的干扰,所以几何缩比尺必须要满足风洞吹过的气流不能被模型堵住,及堵塞率(Blockage)<5%。

从下面的公式我们可以得知,只要确定了长度比例尺-kl,就可以确定所有的几何相似参数。

▵几何相似比例尺

▵F16战斗机的风洞模型

运动相似-速度比例尺

运动相似,指的是吹风模型和原型周围的速度大小、湍流强度、边界层高度、湍流积分尺度以及风速功率谱密度相似。

从下面的公式我们可以得知,只要确定了长度比例尺(kl)速度比例尺(kv),就可以确定所有的运动相似参数。

▵运动相似比例尺

▵实际的大气边界层图例

▵风洞内利用粗糙元拟合出的大气边界层

动力相似-密度比例尺

动力相似,指的是吹风模型和原型上所受的力的大小比例相等,方向相同。从中我们可以推导出很多无量纲数,当吹风模型和原型的这些无量纲数相同时,我们就可以说他们的受力是相似的。而这些无量纲数我们称之为“相似准则”。

从下面的公式我们可以得知,只要确定了长度比例尺(kl)、速度比例尺(kv)和密度比例尺(kρ),就可以确定所有的动力相似参数。

▵动力相似比例尺

▵动力相似准则数

由于各种相似准则很难全部都满足,比如Re(雷诺数)和Fr(弗劳德数)就是比较典型的相互矛盾的例子。所以在风洞测试时往往只选取关键的相似准则,对于其余相似准则就使用一些方式来近似模拟。比如说对于低速风洞,雷诺数相似准则(模型越小,吹风的风速则需要越大)是很难满足的,但是我们发现,雷诺数在一定的风速范围内不会有太大的变化,尤其对于像跟踪系统这样的带有“尖角”的平面结构,此时可认为在跟踪器模型周围的流动状态变化很小,可不考虑雷诺数相似准则。另外提一句,对于光滑的模型,一般也会使用模型表面粗糙化的手段减少临界雷诺数,从而减少雷诺数效应。

跟踪器结构的独特性

大部分风洞测试,比如某大楼风洞测试,某大桥风洞测试,针对的都是某一个建筑物以及相应的周围环境中,如果这个建筑物放置在其他环境里,比如说一座大桥从郊区搬到了城市,则它在郊区的风洞数据就无法使用在城市里。

▵周围环境产生的风对建筑本身的影响

▵风洞测试需要考虑周围环境的影响

但是反观我们的跟踪系统则不同,由于大部分跟踪系统都是建在空旷的地面上,周围也没有明显的遮挡物。大部分项目所处的周围环境情况都比较相似,也就是所说的“开阔无遮挡地形”,因此,在进行风洞测试时,都会选用相对不利、更恶劣(系数更大)的情况。这样的话风洞数据就能使用在不同的项目中。

▵跟踪器所处环境基本相同,都是开阔地貌

(来源:NX,ATI,PVH,Arctech)

什么是相对不利情况呢?对于跟踪系统而言,主要有以下几个因数会影响结果。

东西间距-地面覆盖率GCR

我们知道前排跟踪器会对后排跟踪器有风速遮挡,不同排间距,这种遮挡的效果则不同,如果我们对每一种排间距都进行一次吹风模拟,那么风洞测试量会非常巨大和昂贵。但是我们发现,随着排间距的增大,风的这种遮挡效果会减弱,而我们知道,排间距越大,地面覆盖率-GCR(Ground Cover Ratio)则越小。那么在进行风洞测试时,我们会选择使GCR满足可能遇到的最低情况,比如30%,所以在任何项目地,只要满足GCR大于30%的,风洞数据就都可以使用。

▵跟踪器风遮挡效应

▵排间距越小(GCR越大),风遮挡效应越明显

南北间距

上面谈的是跟踪器东西向间距,对于跟踪器南北向间距,也有一定的规律,如果南北间距越大,则风吹入这些间隙时,风遮挡的效应就越低,后排所受力就越大。所以在做风洞测试时,要考虑南北向间距尽可能大的情况,那么当项目实际南北向间距小于测试值时,风洞数据就可以使用了。

▵南北间距越小,风遮挡效应越明显

跟踪器弦长

所谓“弦长”(Chord)也就是组件东西方向长度,比如一块竖装的弦长约是2m(1.956m),两块竖装约是4m。弦长越长的跟踪器,其扭矩系数就越大

▵组件弦长(Chord)示意图(来源:NEXTracker)

▵跟踪器扭矩计算公式

一般来说,对于一块竖装的跟踪器,测试2m的弦长就够了,但是现在很多组件的弦长越来越长,比如FS6组件和CSI Hiku系列组件弦长都达到2m以上,另外FS4组件四块横装也达到了2.5m,如果使用小弦长的系数设计大弦长的跟踪器,那么设计就不可靠。但是使用大弦长的数据设计小弦长的跟踪器,那么计算就会过于保守。所以在做风洞测试时,需要选择一个合理的弦长。一般来说,对于一块竖装的风洞测试会采用2种模型来分别进行吹风模拟,一种2m来匹配常规组件,一种2.5m来匹配超过2m的新型组件。

▵影响风洞测试的跟踪器参数

本文结束

谢谢阅读

*且听下回分解:

风洞数据在不同国家规范中的使用


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光伏工程师

作者: 小编

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