可再生能源发电已成为全球电能的重要组成部分，风力发电占可再生能源发电量的50%[1]．随着“碳达峰、碳中和”战略目标的提出，风电将获得更快速的发展．中国能源局指出，截至2019年底，全国风电累计装机210 GW，其中“三北”地区占70%．我国沙尘暴主要发生在华北和西北地区，沙尘暴平均风速大多小于25 m/s[2-4]，未超过风力机切出风速，风力机仍正常运行．中国风资源丰富区与沙尘暴多发区地域分布相近．国内外学者关于风力机与风沙之间的关系进行了探索，研究发现：沙尘会引起风轮转矩增加，风轮转矩随沙尘体积分数的增大先增大后减小[5]；颗粒会使翼型的升力系数略微降低，随着颗粒直径的增大，翼型的升力系数先减小再增大[6]；风沙环境下风力机的气动性能发生了明显改变[7]．但是，缺少风力机的运行对沙尘输运影响的相关研究．沙尘暴的发生须具备三个条件，即强风、沙源地和不稳定大气层结[8]．产生扬沙的因素是强风伴随的阵风[9]．文献[10]发现：湍流超大尺度结构(VLSM)的低速区和高速区分别抑制和增强了流向和垂向的起沙通量；文献[11]认为大尺度结构(LSM)和VLSM的低动量区和高动量区会产生复杂的沙尘“输运通道”．另外，不同斯托克斯数的颗粒在湍流流场中具有不同的输运特征[12]；沙尘粒径越小，湍流对沙尘输运的影响越明显[13]；沙尘易在湍流强度高的位置聚集[14-15]．陆上风力机风轮直径约80~120 m，轮毂中心高度为70~90 m，风力机对大气边界层影响显著[16-17]，风力机尾流具有旋转、蜿蜒、速度亏损等特征[17-20]，必然影响大气边界层的LSM和VLSM结构，从而影响沙尘输运特性．综上所述，风沙环境对风力机的性能产生影响，同时，风力机的运行也会影响沙尘的输运特性．本课题组依托兰州大学西部灾害与环境教育部重点实验室的环境风洞，通过开展风力机模型试验，研究风力机对沙尘输运特性的影响规律．1 试验对象及装置模型风力机直径D=440 mm，轮毂中心高度hhub= 650 mm．模型的风洞阻塞度为8.35%，风轮顺时针旋转，利用变阻箱调节发电机负载可控制转速．模型风力机叶片翼型为SG6050，叶片几何参数如表1所示，表中：r为径向位置；R为叶片半径；c为弦长；α为弦长与旋转平面的夹角．10.13245/j.hust.238182.T001表1风力机模型叶片几何参数r/Rc/mmα/(°)r/Rc/mmα/(°)0.2050.716.00.6823.92.80.2842.413.00.7622.72.20.3636.210.40.8422.01.80.4431.67.30.9221.51.50.5228.25.21.0020.01.50.6025.73.8试验在兰州大学环境风洞中进行，该风洞具备沙尘释放口和收集区域，风洞全长40 m，由整流段、试验段、出口段及风机系统组成，试验段长、宽、高分别为20，1.4，1.3 m，最大风速为30 m/s．试验使用皮托管测速装置进行风速的标定和风力机尾流速度的测量，利用移测架调整位置．数据采集频率为1 Hz，满足时均速度测量的需求．根据刘氏集沙仪[21]的设计方法制作集沙仪，采集范围为自下壁面起167.42 mm至1 212.62 mm处，每个集沙口大小为30 mm×34.84 mm．利用团队设计的下沙装置构建风沙场．该装置用螺杆传送下沙，可编程逻辑控制器(PLC)结合步进电机控制螺杆转速，此下沙方式可精确控制下沙时间及下沙量．2 试验方案进行了不同风速下风力机对混合沙(0~500 µm，平均粒径约250 µm，对应于沙源地区域)输运影响的试验，同时进行了风力机在同一运行工况下对混合沙(0~300 µm，平均粒径约150 µm，对应于近沙源地区域)输运影响的试验．当集沙仪位于风力机后1D内时，集沙仪对风力机的运行产生影响，所以利用集沙仪采集90 s风轮后1D~8D不同截面位置的沙尘，并研究风力机对沙尘输运的影响，测点分布如图1所示．采用单点测量方法，测量风力机后不同截面位置的速度，每个点测量180 s并取平均值．10.13245/j.hust.238182.F001图1测点分布图试验取5.5，6.6，9.2 m/s三种来流风速．在这三种来流风速下，湍流强度分别为1.225%，1.22%和1.205%．由于风洞壁面效应，靠近风洞壁面速度略低，但风轮扫掠范围内速度分布均匀，满足试验要求．试验取用四种风沙来流工况，分别为沙尘粒径范围为0~500 µm(平均粒径约250 µm)时，风速分别为5.5，6.6和9.2 m/s；以及沙尘粒径范围为0~300 µm(平均粒径约150 µm)时，风速为6.6 m/s．根据测量结果分析，来流输沙率呈高斯分布，相同风速下沙尘粒径越大，沙尘分布越集中，分布区域越小；相同粒径下风速越大，沙尘分布越集中，分布区域越小．3 结果分析与讨论3.1　风力机尾流速度与输沙率分布当来流风速为6.6 m/s，风力机以叶尖速比6.4运行时，采集尾流区的轴向速度，得到平均轴向速度分布云图，如图2所示．风力机尾流有明显的速度亏损，中心涡处速度最低，两侧呈加速效应，在1D处尾流膨胀，随着尾流发展，尾流速度逐渐恢复，与文献[22-23]使用热线风速仪测量的尾流速度分布规律一致．在1D~3D范围内，由于模型风力机支撑杆的影响，产生较小的速度亏损，3D后无影响；在8D处风力机尾流平均速度恢复至来流的80%，规律与外场试验和数值模拟结果相符；风洞壁面粗糙度不同，导致风力机尾流略微下摆，不影响试验精度与准确性．10.13245/j.hust.238182.F002图2风力机尾流速度分布云图(色标单位：m∙s-1)采集无风力机时集沙装置收集的沙尘，得到输沙率分布云图，如图3(a)所示．无风力机时，沙尘输沙率呈高斯分布，随着沙尘向后输运，沙尘分布逐渐均匀，沙尘分布范围逐渐扩大；输沙率最大处与轮毂中心重合，沙尘可完全覆盖风轮区域且对称；沙尘分布规律无聚集的沙尘团和其他结构．10.13245/j.hust.238182.F003图3有无风力机运行情况下输沙率分布云图(色标单位：g∙(m2∙s)-1)采集风力机运行时集沙仪收集的沙尘，计算得到输沙率分布云图，如图3(b)所示，风力机的运行可以直接影响沙尘的输运．文献[15，24]在建筑物、山丘对沙尘输运影响的研究中发现，沙尘在湍流强度大的位置发生聚集．图3(b)中，叶尖涡和中心涡对沙尘具有聚集效应，且叶尖涡对沙尘的聚集效应比中心涡对沙尘的聚集效应更明显．由于上叶尖涡对沙尘的聚集效应，形成了轻微扬沙现象，但整体依然呈现阻沙作用．由于下叶尖涡的作用，沙尘向下方输运聚集，沉降加速．3.2　不同风速下风力机对沙尘输运的影响在5.5，6.6，9.2 m/s来流风速下，风力机叶尖速比为6.4时，测量了风力机后2D处的速度(V)分布如图4所示．6.6m/s来流风速下，风力机叶尖速比6.4时，风力机后不同位置处的速度如图5所示．10.13245/j.hust.238182.F004图4不同风速下2D处速度10.13245/j.hust.238182.F005图5风速6.6 m/s时不同位置处速度风力机尾流速度分布呈V型，具有对称性，平均速度亏损分别为67.2%，67.8%，68.2%，来流风速越大，速度亏损越大．对比9.2 m/s来流风速，低风速时，由于风力机支撑架的影响范围较小，风力机尾流区2D处的速度分布具有良好的对称性；而风速越高，近风洞壁面平均风速受风力机支撑架的影响产生的湍流强度越大，速度恢复越快．由于风力机支撑架的影响，在风轮下方的速度小于风轮上方的速度；相对来流速度分布，风力机支撑架及风力机运行使风力机后速度减小，近风洞壁面速度增大．由风力机尾流速度分布可推断：在自然环境下，风力机的存在必然影响近地面平均风速分布，改变近地面大气边界层的结构，从而影响沙尘的输运．测量了不同工况下尾流区2D处的输沙率(Q)和阻沙率(I)分布，如图6和7所示．阻沙率I=(m1-m2)/m1，式中：m1为无风力机时单个采集点沙尘质量；m2为有风力机时采集点的沙尘质量．I为正值表示阻沙作用，负值表示扬沙作用；绝对值越大，作用越强．对于平均粒径约250 µm的沙尘，在来流风速5.5，6.6，9.2 m/s下，无风力机时，沙尘随风速逐渐向后输运，范围逐渐变大，输沙率沿高度梯度逐渐减小．10.13245/j.hust.238182.F006图6不同工况下尾流区2D处输沙率10.13245/j.hust.238182.F007图7不同工况下尾流区2D处阻沙率风力机的总阻沙率Isum=(M1-M2)/M1，式中：M1为无风力机时垂向所有采集点沙尘质量总和；M2为有风力机时各采集点沙尘质量总和．风力机以叶尖速比6.4运行时，Isum分别为71.8%，75.7%，54.1%．对于平均粒径约150 µm的沙尘，在来流风速6.6 m/s时，Isum为55.61%．当来流输沙率分布规律相同时，风速越高，速度亏损越大，Isum越高；当来流输沙率最高处偏离轮毂中心，Isum降低，但大于50%，风力机轮毂具有一定的阻沙作用，但其他位置的阻沙作用依然明显．当来流风速为9.2 m/s时，风力机后2D处输沙率存在W状分布，明显受到风力机流场的作用，所以风力机对沙尘输运的影响不仅体现在风轮等对沙尘的阻挡，也体现在风力机尾流对沙尘输运的影响．粒径小的沙尘跟随性更强[16]，受湍流的影响更明显，从而在叶尖涡和中心涡的影响下，输沙率呈W型分布；根据Isum数据对比显示，风力机对大粒径沙尘的阻沙效果更强．风速越大，沙尘受风力机尾流影响范围越大，输沙率的W型分布持续距离越长，叶尖涡和中心涡对沙尘的聚集现象越明显．由图7可知：阻沙率具有明显的规律特性，在上叶尖涡处，I为负值，有扬沙现象；沿高度向下，I逐渐为正，风力机表现为阻沙作用；自上叶尖涡下方开始，I逐渐增大至某一位置后逐渐减小，但风力机始终表现出阻沙作用．综上所述，风力机在不同工况下都具有阻沙作用，虽然上叶尖涡会造成少量的扬沙，总体而言风力机的阻沙作用远远大于扬沙作用．3.3　尾流区不同位置速度分布与沙尘输运特性来流风速为6.6 m/s，沙尘粒径范围0~300 µm，无风力机运行及风力机以叶尖速比6.4的运行时，根据尾流区不同截面位置处速度、输沙率和阻沙率的对比分析，发现风力机运行对沙尘输运的影响遵循一定的规律．在1D，2D，3D，5D，8D截面处的Isum分别为53.5%，55.6%，59.1%，68.1%，51.1%，风力机使50%左右的沙尘提前沉降，由于风力机对风能的吸收和风力机尾流后的速度亏损，沙尘很难在地面再次起动；在风力机尾流[0，5D)内，Isum逐渐增大，风力机尾流使沙尘提前沉降；在[5D，8D]范围内，风力机尾流逐渐恢复，湍流强度逐渐减小，湍流分布逐渐均匀，风力机对沙尘输运的影响逐渐减小．图8和9为尾流区不同位置处输沙率及阻沙率分布．当存在风力机时，风力机尾流速度分布呈不规则的V型，但是输沙率分布呈W型，输沙率的W型分布与风力机尾流中叶尖涡和中心涡分布一致，叶尖涡和中心涡对沙尘具有聚集效应，由于叶尖涡的湍流强度大于中心涡的湍流强度，因此中心涡对沙尘的聚集效应小于叶尖涡对沙尘的聚集效应．10.13245/j.hust.238182.F008图8尾流区不同位置处输沙率10.13245/j.hust.238182.F009图9尾流区不同位置处阻沙率在风力机尾流区2D处，尾流速度分布逐渐从V型过渡成U型，输沙率分布也逐渐从W型过渡成U型，中心涡对沙尘的聚集效应减弱，此时Isum大于1D处的Isum．风力机在尾流区2D处依然表现阻沙作用且大于1D处的阻沙作用，风力机尾流使沙尘持续沉积；上叶尖涡聚集的沙尘相对1D处明显减少，上扬的沙尘逐渐沉降，扬沙现象逐渐消退；尾流中部及以下的沙尘向下叶尖涡聚集，从而在下叶尖涡处有较大的沙尘团，并逐渐沉降．文献[25]研究发现，在风力机模型下游2.5D后，尾流区的湍流强度大大减小．中心涡较叶尖涡会提前耗散，此时湍流强度减小，沙尘的聚集效应减小．2D~3D上叶尖涡位置输沙率变化较小，但中心涡位置输沙率变化明显，总体上风力机尾流对沙尘输运的影响减弱，输沙率分布逐渐均匀；对比风力机尾流区中心涡对沙尘的聚集效应，叶尖涡对沙尘的聚集效应影响范围更大．1D~3D范围内叶尖涡处的输沙率变化小于3D~5D的输沙率变化，根据文献[25]可知，3D~5D范围内湍流强度大幅度下降，所以叶尖涡和中心涡的变化特征直接影响了沙尘在风力机尾流区的输运．风力机下游8D处输沙率减小．在尾流区8D之前，沙尘经历了沉积过程．在8D处，湍流强度减小，尾流速度逐渐恢复，但输沙率并没有恢复，大部分沙尘已经沉降到风洞底面上．阻沙率呈现很强的规律性，在风力机下游1D~5D范围，上叶尖涡处的阻沙率从-3.5逐渐减小到-2，上叶尖涡在风力机的阻沙作用中发挥负影响，但这种负影响逐渐减小；在8D处阻沙率负值骤然增大，但是相应的沙尘质量已经明显减小．相对输沙率来讲，无量纲化的阻沙率能够反映出加入风力机前后输沙率的变化，所以阻沙率能更直观说明风力机对沙尘输运的影响．综上所述，风力机具有阻沙作用，可使50%以上的沙尘提前沉积到风洞底面．无风力机时，沙尘随风速逐渐向后输运，范围逐渐扩大，沿高度分布的输沙率梯度逐渐减小，分布趋向均匀，短距离内无明显变化；存在风力机时，风力机风轮旋转产生的阻塞效应及风轮旋转对风沙流的扰动，使输沙率减小50%以上，其中一部分沙尘在下叶尖涡的作用下随流场的变化在风轮下方聚集，一部分穿过风轮继续向后方输运，并在中心涡处聚集，另外少部分小粒径沙尘在上叶尖涡作用下随流场在风轮上方聚集，形成了轻微扬沙现象．但是随着尾流的发展，这种现象会逐渐减弱，在8D处已不明显．随风力机流场输运，在沙尘重力的影响下沙尘有下移趋势，受到风力机运行所产生尾流的影响，一直持续到风力机下游8D处．叶尖涡和中心涡对沙尘有聚集效应，在3D处，中心涡对沙尘的聚集效应基本消失，中心涡影响区域远小于叶尖涡对沙尘的聚集效应．4 结论a．风力机对大粒径沙尘的阻沙作用大于对小粒径沙尘的阻沙作用，不同风速下风力机阻沙效果不同，风速越大，阻沙作用越强．b．风力机可以促进50%以上的沙尘沉降，在风力机尾流[0，5D)内，风力机使沙尘加速沉降，在[5D，8D]范围风力机对沙尘输运的影响逐渐减小．c．叶尖涡和中心涡对沙尘具有聚集效应，叶尖涡对沙尘的聚集效应大于中心涡对沙尘的聚集效应，随着尾流发展，聚集效应逐渐减小．d．风速越高，风力机尾流区速度亏损越大，总阻沙率越高，阻沙率波动越明显；无量纲化的阻沙率更能表达风力机对沙尘输运的影响．