风洞，基于风速测试设备外文翻译资料

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风洞，基于风速测试设备

摘要

可以在一个地方使用风速计对风能资源进行测试和估算。风速测量的准确性对于决定风力发电场的资源是至关重要的,这就是为什么在校准风速计必须非常小心。这个项目的目的是准备加州大学戴维斯(UCD)航空风洞(AWT)自动校准风速计的使用LabVIEW中创建的虚拟仪器(VI)测量风洞和风洞风速计数量和控制风洞的速度。进行初始校准是使用RM新的以国家标准与技术研究院(NIST)为基准被各行业使用的螺旋桨式风速计与一般的风速计校准设备进行比较。

对我的妻子，珍妮弗，永远是我的生活，爱和灵感！

致谢

我要感谢OTECH工程公司，特别是Rachael Coquilla和John Obermeier，他们对校准的帮助和他们对风速计的校准建议。

我不能忽略在加州大学（UC）的麦克·Akahori和肖恩·马龙，戴维斯机器店帮助我加工我需要的风洞机器。 谢谢Ray Chow，帮助我解决电脑问题在我的研究，并帮助重新格式化风洞计算机。 我想感谢Henry Shiu对本论文的建议和指导。 Jon Baker在我的研究是一个关键合作伙伴，因为是他教我在风洞的绳索，指示我LabVIEW并提供了沿着每一步的指导。

非常感谢C.P.教授。 因为他的整体方向Case van Dam在我的论文，在这研究的每一步的支持和援助。谢谢布鲁斯·怀特教授和埃里克森教授审查我的论文并提供您们的建议。

我要感谢我的家人在我的教育期间不断的支持。 他们已经忍受了我迟到，专注和不可用，因为我通过UC戴维斯追求我的大师。 感谢您对我的耐心等待和在这繁忙和尝试时间的理解。我现在终于空闲了了，这意味着我终于可以修复这些手表，升级您的计算机，并帮助我多年来所承诺的所有那些项目。

我要感谢我的妈妈，琳达，对我的高中Science Fair项目的支持和帮助。 没有她的支持和鼓励，我可能没有追求航空航天那些小型项目。

谢谢你，爸爸，教我坚持和决心，并带给了我我舒适的工具和机械。 这些技术不仅在完成我的研究上被证明，在我的职业生涯也是。

最重要的是，我要感谢我支持我的每一英寸的方式执行我的研究和完成这篇论文的妻子。 她一直是我的灵感和精神支柱！ 没有她，毫无疑问，我会失去我信心去完成论文。

1. 引言

1.1：背景

在风能工业中，在可能的风力涡轮机场地可以开发之前，必须对该地点可用的风资源进行估计，以便确定是否该地点是风力发电场的可行位置。这个估计是基于使用风速计在现场进行测量。风速计必须精确校准以确定场地的风力资源;一个测量减少多达1 m / s可能意味着风力发电场的成功或失败。风电场经济性对风速测量的精度敏感，因为动能变化与风速立方成正比。例如，如果有风资源以11 m / s测量，但实际上为10 m / s，这种风速的标称10％变化导致产生的风力下降约33％[9]。这个示例清楚地表明准确校准风速计是多么重要。

目前最常用的风速计是杯式风速计和螺旋桨风速计（或风车式风速计）。托马斯·罗姆尼·罗宾逊被认为是第一个创建杯式风速计在1846年，这是最受赞誉的最简单的仪器，采用轴的转速之间（即杯旋转）和风的速度的关系来测风速。 由于简单的杯风速计和其坚固的设计; 它已经成为当今最广泛使用的风力测量设备之一。 NRG＃40是目前最普遍使用的杯式风速计之一其开始在大约160美元，并且可以高达几百美元取决于模型和是否校准。但是，其他更复杂的风速计可以高达约1500美元，取决于其具体功能。

最近由L.Kirstensen提出了杯式风速计的广泛综述，指出，杯风速仪拥有近线性校准曲线，从而能够实现高度精确的风速测量。 Kirstensen呼吁重视C. E. Brazier的工作，他发现将杯子连接到轴上的臂的半径越短，校准曲线就越线性。 正是由于这个原因，大多数杯形风速计具有非常短的附接臂，通过使其更线性来提高校准曲线的准确度。

杯式风速计是通过将已知的流速与旋转速率相关联来校准轴的。 不幸的是，由于简单的设计，杯风速计容易测量平面风速在水平面上的误差（xy平面时参考笛卡尔坐标系中风的所有三个矢量分量）。该误差表现为测量风速的正偏差或“超速”，这是由“对风速变化的不对称响应”引起的。 意味着

通过杯式风速计的空气速度测量将倾向于更准确如果观察到的空气速度增加而不是减少。 应该注意的是所有风速计应至少每年校准一次，以确保风速结果的准确性。 杯式风速计的草图显示在图1.1-1中。

图1.1-1杯式风速计

螺旋桨风速计是一种风车风速计，它们不是使用风向标来迫使螺旋桨风速计进入风中，而是工作在一个固定方向。因此，平原螺旋桨风速计不具有通过风速测量风向的能力。风车风速计的理论工作方式与杯式风速计相同，除了旋转轴水平而不是垂直，并且其直接附接到风向标。旋转轴产生的交流正弦波的频率与测得的风速成正比。风车风速计是通过将已知的流速与轴的旋转速率或输出频率相关来校准的。风车风速计的优点是它能够同时测定风速和

方向，不像杯风速计。然而，它的确有缺点比杯式风速计贵，因为它在同一设备上有两个仪器，而不是一个。风车风速计和一套螺旋桨风速计显示在图1.1-2中。

图1.1-2：风车风速计（左）和用于测量风的三个速度分量的三台螺旋桨风速计的图片（右）

本项目中使用的风速计是螺旋桨风速计。 螺旋桨风速计在功能和形式非常类似于杯式风速计，除了它在水平轴而不是垂直轴上操作，并且使用它螺旋桨叶片，而不是杯子，以捕捉通过风速计的气流。 一个螺旋桨风速计对于平行于其旋转轴的测量风最敏感，而垂直于其旋转轴的风不被测量。 杯和螺旋桨风速计的平均设计精度约为plusmn;2％。

1.2：项目概述

这个项目的目的是提升和准备加州大学戴维斯分校（UCD）的航空风洞（AWT），使其能够精确地执行校准根据要求提出的非校准风速计的测试。该测试遵循以下两个标准：“用于确定杯式风速计或螺旋桨风速计的性能的标准测试方法”（ASTM D 5096-02）和“电力生产风力发电机的性能测量”（IEC 61400-121）。在风洞中，风速计通常通过关联已知的风速与给定风速计在特定风速下产生的频率来校准的。然而，对于这个项目，第一步是准备UCD AWT进行校准风速计。这是通过安装以下附加仪器到风洞中来完成的：温度/相对湿度（TRH）发射器，以及气压压力传感器＃5（传感器＃5）。这些仪器加上现有的压力传感器可能可以计算上面提到内容：空气密度，风洞空气速度（实时），和雷诺数（实时）。这些计算是通过创建一个虚拟仪器程序（VI）来完成的。VI拥有创建手动输入温度，相对湿度和气压值的能力，以便在不使用上述传感器的情况下测试程序并用于故障排除该程序。

一旦VI能够实时测量隧道中的风速，通过风洞风机的频率控制器可以得出风洞的风速和电压之间的关系。 这种关系用于风速计的自动校准测试，通过使用VI来控制风的频率。 因此，风洞的风速可以在特定的风速被控制特定的持续时间。

一旦所有这一切完成，一个RM Young螺旋桨风速计（如图所示1.2-1），被OTECH工程作为基准，成为NIST（国立研究所标准和技术）在UCD AWT中进行测试，以便确定风洞校准风速计的准备工作。这将被证实如果风洞能够符合以下两个风速计的校准标准：“用于确定杯式风速计或螺旋桨风速计的性能的标准测试方法”（ASTM D 5096-02）或“功率电力生产风力发电机的性能测量”（IEC 61400-121）。 RM Young风速计输出的方波信号与它测量的风速直接相关。该方波的频率和NIST的校准曲线是VI以风速计测量为基础用于计算风速。RM Young风速计的NIST校准源由OTECH工程提供。校准证书由OTECH 工程提供，如附录A中的图A-1所示。RM Young风速计（型号27106DR）的用户手册的副本在附录A

图A-2至A-6。

图1.2-1：RM Young螺旋桨风速计安装在UCD AWT的前端位置。

风洞校准风速计的第二次验证是使用由United Senor Corporation制造的皮托静压探针（如图1.2-2所示）（型号PDD-24-G-21-KL Straight）进行。 皮托静压探头的原始尺寸图的副本在图B-1的附录B中。用Setra Systems Inc制造的差压传感器测量皮托静压探头上的总端口和静端口的压差，范围为0至2.5 INWC（型号239）。

图1.2-2：美国Senor公司的皮托静压探头，安装在UCD AWT的前面位置

1. UCD AWT设备升级，用于风速计校准

2.1风洞

以下信息描述了风洞其主要部分和组件，基于从UCD AWT设施网站获得的信息和直接观察。 UCD AWT于1997年5月安装，主要用于学术和研究目的。 UCD AWT是一个具有33.6英寸乘48英寸和12英尺长的封闭测试段的风洞。UCD AWT在实验阶段配有由125马力电机操作的风扇产生大约165mph的最大速度（取决于当前空气密度）。试验段的湍流水平在整个风洞的速度范围已经确定为小于或等于测试段的最初80％的0.1％。UCD AWT由五个主要组成部分：收缩部分，测试部分，集气室，扩散部分和风洞风机。 UCD AWT的简化图如图2.1-1所示。

图2.1-1：UCD AWT系统图

2.1.1：收缩部分

收缩部分设计为具有7.5至1的收缩比; 但是，那测得的收缩比实际上为7.679比1.确定该收缩比是通过在两个静态压力环的压力抽头测量前后的收缩部的横截面积收缩。这些静压敲击环用于确定测试段中的空气速度。 位于在截面面积收缩之前的环被指定为静压龙头环＃1（环＃1），位于测试段前面的环为静压抽头环＃2（环＃2）。 测量工具有卷尺（带有精度为1/16英寸），高度计（精度为0.001英寸），一对卡尺（精度为0.0005英寸）和用于帮助测量收缩部分中的圆角的大小的精确的方形测量仪。

整流器位于收缩部的前方。 第一部分整流器是垃圾筛，由1英寸正方形组成的粗钢筛。

第二部分由6英寸厚的铝蜂窝过滤器组成，具有0.25英寸蜂房。 蜂房具有24的纵横比。四个抗湍流屏幕组成第三部分收缩段整流器。 这些20times;20的筛网（0.009英寸直径）由不锈钢制成。 如果需要，这里有一个屏幕的空间。

收缩室本身由四个相同弯曲的侧面组成使每个相邻侧上具有相等的压力。 这有助于防止角上涡流的形成。

2.1.2：试验阶段

风洞的试验段在地板上包含两个整流罩转盘，每个36英寸直径。 前整流罩与给定偏航角的锥形力平衡同步。 后转盘与偏航角独立。 UCD AWT具有平行的四边以允许边界层生长并因此提供恒定的静态压力，而不是偏离一侧。测试部分两侧的门由有机玻璃制成在转盘中心。门在顶部铰接，可以拆卸，如有必要可以更换为玻璃。测试段的天花板和地板由铝组成。 为了流动可视化，在下圆角在前转台中心有一个18英寸的紫外光（F18T8-BLB）。在上圆角板上有两个96英寸的荧光灯（F96T8-SSCW）为测试提供工作灯。

2.1.3：试验段顶部/全压

集气室包含空间力的平衡能够测量所有六个平衡力和力矩的分量（升力，阻力，侧向力，俯仰力矩，滚动力矩和偏转力矩）在一个安装好的模型上。 力平衡也使模型移动到给定的偏航角（对于二维模型）和迎角（对于三维模型）。在测试部分的顶部有一个二维横向

机构，可以在测试段的横截面内水平和垂直地移动探头（如在这期间使用的皮托静态探头研究）。

2.1.4：扩散段

扩散部分被设计成在穿过路径之前减慢气流风扇。 扩散部将测试部连接到风扇。 在扩散器的端部，有一个垃圾桶，0.5英寸不锈钢网，以保护风扇。

2.1.5：风洞风机

风洞风扇是尺寸型号84-26-FB-1000有4台直接驱动叶片轴流式风扇，其具有可手动调节螺距的铝叶片。风扇由3相，460 V，60Hz的Reliance Electric高效电机运行。电机速度由Mitsubishi Meltrac A-100变量控制频率驱动。驱动器被指定为MT-A140E-110K-02UL，设计为216amp可变扭矩。控制器具有1000：1的速度比能力，可以保持风扇转速常数，最大变化为plusmn;0.2％。风洞风机连接到NI SCB-100数据采集（DAQ）盒由子VI控制（嵌入式虚拟仪器），在主VI中改变电压频率，因此风洞风机能产生想要的空气速度。下面的风扇安装一个吸声器（消声器）以抑制噪声。为了进一步降低噪声，中央风扇具有吸声尾部。

2.2：数据采集和测量系统

2.2.1：风洞计算机

DAQ计算机有一个AMD Athlon（tm）XP 2500 处理器，一个1.00 GB的RAM运行速度为1.83 GHz，具有以下两个硬盘驱动器：“本地磁盘（C :)”，总容量为29.9 GB，“数据（D :)”总容量为44.5 GB。计算机的操作系统是Microsoft Windows XP专业版2002。计算机配备了PCI6071E DAQ卡。规格：模拟输入/输出通道的plusmn;10 V范围，数字的0至5 V范围，I / O和计数器/定时器通道，输入通道为1.25 MS / s，输出为1 MS / s通道，12位分辨率用于64个单端模拟输入通道或32个差分输入通道，两个模拟输出通道的12位分辨率，八个数字I / O通道和两个20 MHz计数器/定时器的24位分辨率。电脑目前安装有LabVIEW专业开

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