后缘表面圆柱扰流对翼型气动性能的影响.pdf

第 卷第 期东北电力大学学报.年 月 基金项目:吉林省科技厅社会发展计划项目():./.后缘表面圆柱扰流对翼型气动性能的影响魏善群丁文成刘 梦(.深能保定发电有限公司河北 保定.东北电力大学能源与动力工程学院吉林 吉林)摘 要:对风力机专用的 翼型尾缘上表面不同位置添加小圆柱的方法对后缘气流的流动状态进行控制通过 方程数值模拟 攻角下翼型的气动性能变化 结果表明在大攻角时小圆柱扰流能够推迟翼型上表面的流动分离点改善后缘上表面的涡流结构使得上表面气流的绕流效应减弱增大上表面流速减小翼型上表面压力从而提高翼型升力、降低翼型阻力 同时小圆柱存在最优尺寸使得对尾部涡流的控制效果最佳气动性能达到最好关键词:风力机数值模拟气动性能流动控制圆柱扰流中图分类号:文献标识码:引 言随着世界能源危机和环境恶化问题日益突出积极开发新能源成为各国研究的焦点而风电行业凭借着在技术上的成熟度和经济上的可行性加上近年来政府出台的可再生能源的鼓励政策发展前景相当可观 近年来风力机叶片向大型化方向发展这对风力机叶片的气动性能有着越来越高的要求 在风力机叶片运行过程中由于叶片根部翼型的实际工作攻角偏大大攻角状态下厚翼型容易发生流动分离导致风能吸收能力降低从而降低风轮功率 通过流动控制来改善叶片大攻角状况下的流动状态是目前叶片优化和改进研究的重要方向并出现了多种流动控制方法来改善风力机叶片性能 其中涡流发生器、合成射流、前缘旋转圆柱、翼型运动表面等方法的使用能够抑制气流的流动分离改善扰流器附近截面上的压力分布增加升力近几年又出现了在叶片表面加小圆柱的方法进行流动控制 陈裙等提出了一种在垂直轴风力机叶片前缘加微小圆柱的方法来抑制流动分离发现在大攻角下可以有效控制流动分离得到增升减阻的效果 徐帅等通过翼型前缘微小圆柱对 翼型影响的数值模拟发现能够降低阻力系数、减小或抑制翼型的流动分离区的大小这些研究表明在翼型表面设置小圆柱来控制气流流动状态、抑制流动分离具有较强的可行性.本文以翼型的流动控制为出发点运用了一种在翼型后缘表面处设置小圆柱的流动分离控制方法通过数值模拟对翼型的气动性能进行研究 物理模型和数值计算方法.计算区域及网格划分使用美国新能源实验室专门针对风力机设计的 翼型为研究对象翼型计算区域如图 所示图中叶片前缘与坐标原点重合叶片弦长 为了保证计算域边界不会对翼型表面的流场流动产生影响以及保证尾缘后的流动充分发展设定翼型前缘与边界的距离为 倍弦长翼型前缘与边界的距离为 倍弦长 小圆柱设置在尾缘附近上表面距弦长的高度为 距尾缘的水平距离为 小圆柱半径为 用 对流场区域进行结构网格划分为保证翼型表面的 值为 的数量级设定第一层网格高度为 针对 翼型(未加圆柱的原始流场区域)网格总数为 万左右 如图 所示 本文针对 翼型分别采用 万、万、万的网格数对原始翼型进行模拟发现 万和 万网格数的升阻力系数基本一致而 万与 万网格数的升阻力系数有较大偏差故选取 万网格数进行计算图 翼型流场和小圆柱设置示意图.图 翼型周围以及小圆柱附近网格状况.数值计算方法和边界条件通过 软件计算湍流模型选用对于 翼型最适用的 模型 选取雷诺数和 将空气视为不可压缩流体速度进口、压力出口、出口压力分别设置为 为提高精度避免假扩散带来的影响对流项的差分格式采用二阶迎风格式 为加快收敛压力速度耦合选择 算法.小圆柱参数的设定为了获得不同参数的小圆柱对翼型气动性能的影响效果设置多组不同、的小圆柱翼型不同的小圆柱尺寸如表 所示表 小圆柱尺寸.为方便起见像参数为.、.的带小圆柱的翼型简写成 小圆柱半径设置为.同时为研究小圆柱半径对翼型气动性能带来的影响在 .时再设置 .和.两组作为对照 结果与讨论.湍流模型的验证为验证 湍流模型计算结果的准确性将采用、三种风力机计算时常用的模型对 翼型在 攻角范围内进行计算流场来流速度为./雷诺数 将计算得到的升阻力系数与实验数据进行比较结果如图 所示 可以看出这三种模型的模拟结果与实验结果都有些偏差这是所有湍流模型共有的问题 但相对而言 模型的升力变化曲线更贴合实验值尤其在大攻角状况下虽然升力值较实验值偏小但其升力变化规律较 和 模型更吻合实验值的变化规律故本文将使用 湍流模型进行计算图 不同湍流模型下翼型升力系数.尾缘上表面带扰流圆柱翼型的气动参数分析为了体现尾缘上表面扰流圆柱对翼型气动性能影响计算了不同雷诺数下的升力系数()和阻力系数()限于篇幅本文只讨论 和 两种情况下 .、.、.时不同 小圆柱翼型与原始翼型的升阻力系数由图 可知 时在较小攻角范围内(约)普遍大于原始翼型 在阻力系数方面小攻角时阻力系数普遍大于原始翼型大攻角时普遍低于原始翼型 对于同一、不同 的带小圆柱的翼型除 外对升力的提升作用差别不大只是在不同攻角情况下不同位置小圆柱的气动表现略有差异().时不同 小圆柱翼型的升阻力系数().时不同 小圆柱翼型的升阻力系数().时不同 小圆柱翼型的升阻力系数图 不同 长度时各 小圆柱翼型升阻力系数.由图 可知在 时升力系数和阻力系数的变化趋势与 基本一致 只是升力系数方面小圆柱翼型的性能在攻角大于 时就普遍优于原始翼型从阻力系数来看也是大于 时小圆柱翼型的阻力系数普遍低于原始翼型 这说明在大攻角范围内添加小圆柱可以明显提升翼型的升阻特性下面就以 为例观察尾缘小圆柱对翼型表面速度、压力以及涡分布的影响进一步揭示尾缘上表面小圆柱提升翼型升阻特性的机理().时不同 小圆柱翼型的升阻力系数().时不同 小圆柱翼型的升阻力系数().时不同 小圆柱翼型的升阻力系数图 不同 长度时各 小圆柱翼型升阻力系数.翼型表面速度影响分析图 两种翼型 轴方向速度图.图 两种翼型 轴方向速度图.第 期 魏善群等:后缘表面圆柱扰流对翼型气动性能的影响 由图 可知在加扰流小圆柱之后翼型下表面速度变化不大只是在中段以及尾缘附近略有减小在翼型上表面区域翼型前段的高速区面积有明显增加即表面附近有更快的流速 而小圆柱下方尾缘上表面附近速度有所减小这是由于小圆柱的扰动作用在上表面区域出现 方向速度为负的情况即有部分空气流向上表面进而影响到上游气流速度在 方向有所减小 从图 可以看出加小圆柱后在翼型下表面以及上表面前半段 方向速度基本没有变化而在后半段后缘大涡产生区域出现大面积的 方向速度为负的情况即指向 轴负方向的速度这是由于小圆柱对涡流的扰动在翼型后缘上表面区域产生了一个指向翼型表面的速度而这个速度会对尾缘上表面的涡产生影响.翼型表面附近流线及流动分离点状况图 两种翼型表面流线图.图 两种翼型流动分离点示意图.以原始翼型和.的小圆柱翼型在 攻角时为例分析流线和流动分离点状况从图 中可以看出对于原翼型来流气流流经尾缘时由于尾缘上表面大涡的存在气流需要绕过大涡向下游流动而当添加小圆柱后由于小圆柱能够在大攻角状况下对后缘吸力面的涡流起到抑制和分离的作用使得原本后缘上表面的涡流作用明显减小 这使得小圆柱上游方向的气流能够顺利流过翼型上表面区域或者气流的绕流现象减弱从图 中可以看出对于原始翼型在 .附近时上游气流开始流经后缘涡的起始点此时涡的存在影响到上游气流的正常流动气流在涡的起始位置处开始绕流 而后缘表面有扰流圆柱的翼型使得涡流结构减小、减弱涡流对上游气流的正常流动影响明显减小所以在 .时气流没有绕流现象的产生图 展示了不同 和 小圆柱翼型的流动分离点在弦长的相对位置变化:从图中可以看出除 外加小圆柱的翼型普遍在 攻角和 攻角时大幅度推迟了流动分离点的位置而在 攻角时小幅推迟了流动分离点的位置在 攻角相等或略微提前流动分离点位置 从总体上看添加小圆柱有推迟分离点的效果且在小于 或大于 攻角时效果更明显 同时对应升力曲线可以看出在 以及 时带小圆柱翼型提高升力系数更明显 而对于不同 的小圆柱翼型除 外在不同 情况下其流动分离点的相对位置变化不大.大攻角下小圆柱高度对翼型尾缘涡的影响当攻角低于 时后缘上表面的涡还未完全形成小圆柱的作用并不明显 而当攻角到达 时则出现了非常明显的后缘涡 本文从分别取、图 不同小圆柱改型下流动分离点位置.东北电力大学学报第 卷、攻角对原始翼型和 .、不同 的带小圆柱翼型的涡流状况进行分析图 原始翼型大攻角下尾部涡流状况.图 攻角时不同 小圆柱翼型尾部涡流状况.如图 在 攻角时当 .时小圆柱的扰流造成了翼型上表面在距后缘.和.附近形成了两个涡其中后方的涡已经脱离了翼型上表面区域而前方的涡与原始翼型相比有所减小同时在小圆柱后方形成小涡这是增加小圆柱后形成的卡曼旋涡由于这个小涡对主涡系影响不大在此不去研究讨论 当 .时在距后缘.和.处形成两个涡这两个涡的大小明显减小对翼型上表面的影响已经大大减弱 当.时与.时相比两个小涡已经重新合并成一个涡 到.时合并的涡开始增大 由此可以看出小圆柱对后缘上表面的涡流结构的影响是不断变化的并表现出了涡的分离涡的减小涡的重新合并、变大的特点图 攻角时不同 小圆柱翼型尾部涡流状况.由图 可知在攻角时当.时小圆柱对涡的分离作用影响不大但仍使得涡的中心向右偏离而当.时可以明显看到原本的大涡被分离成两个涡涡的分离作用明显显现 当.时由于小圆柱高度的增高两个涡又重新合并小圆柱对涡的分离作用明显减弱而当.时小圆柱对涡的影响继续减弱 随着小圆柱 的增大小圆柱对涡的影响由小变大再减小并表现出涡的偏移涡的分离涡的重新合并的特点如图 在 攻角时当.时小圆柱对涡的影响较小但使得涡的中心稍微向后偏移 随着 的增大当.和.时也未发生涡的分离而是涡的中心继续往后偏移直到.时才发生涡的分离前涡和后涡出现较明显的边界随着 的增大小圆柱对涡的影响表现出涡的后移后移增大涡的分离的特点由图 可知在 攻角时随着 的增大涡第 期 魏善群等:后缘表面圆柱扰流对翼型气动性能的影响的中心出现逐渐后移的状况但翼型尾缘表面的大涡始终未出现分离的情况图 攻角时不同 小圆柱翼型尾部涡流状况.图 攻角时不同 小圆柱翼型尾部涡流状况.从整体上看在 攻角范围内下后缘小圆柱对尾缘涡结构具有偏移、分离的作用但对涡影响能力随着攻角的增大而降低.小圆柱对翼型周围压力场分布影响分析以.的带有小圆柱的翼型为例对比带有小圆柱的翼型和原始翼型的压力云图 从图 可知添加小圆柱对于翼型下表面压力影响不大仅对下表面/.附近以及尾缘部分略有增大但变化量不大 而在翼型上表面在.之前的区域负压值普遍低于原始翼型以 等值线为例其余上表面相交于约.处而原始翼型的 等值线与上边面相交于约.处即在上表面.到.区域后缘表面有小圆柱的翼型压力小于原始翼型 同理在上表面.的其他长度短都有类似情况 而在尾缘区域尤其是小圆柱直接影响下的长度段(约.之后)叶片表面的压力值略大于原始翼型但变化量仅在 之内图 两种翼型表面附近压力图.由前面的流线图我们可以得知由于气流对后缘大涡绕流的存在使得上游气流的滞止压力增大而加装扰流圆柱后后缘大涡结构的形态变小、强度减弱大涡对上游气流的流动影响显著减小气流可以正常流过尾缘上表面区域于是上游气流由于绕流而产生的滞止压力减弱从而造成了大约在.之前翼型上表面负压升高.加小圆柱翼型对表面压力系数影响分析图 压力系数曲线图.东北电力大学学报第 卷以.、.、.、.三种小圆柱翼型 攻角为例对比原始翼型的表面压力系数 观察图 可以发现在小圆柱设置位置的上游方向叶片表面的压力系数明显小于原始翼型这是因为小圆柱的存在使得尾缘的大涡减小削弱了尾部的流动分离使得上游流体能相对容易地流向下游从而减小了上游表面气流的滞止压力减小了气流流到尾缘时的绕流效应使得圆柱上游叶片表面压力系数减小 而对于小圆柱下游翼型表面的压力系数虽然略有增大损失了一部分升力但这部分损失量小于上游翼型表面的升力增加量从整体效果看改善了翼型的气动性能.不同尺寸小圆柱对翼型气动性能和涡流的影响图 不同尺寸小圆柱翼型升力曲线图.以.、.时带有小圆柱的翼型为例通过改变小圆柱尺寸分别对带有 .、.、.的不同半径圆柱的翼型在 攻角下进行模拟 如图 可知在小攻角范围内(约).和 .的小圆柱翼型的升力系数小于 .的翼型由此可以看出小圆柱存在最优尺寸使得对尾部涡流的控制效果最好小圆柱太大或者太小都会导致得不到最优气动表现 从图 的翼型尾部流线图可以分析出当小圆柱半径太小(.)时小圆柱对翼型上表面涡的扰动并不明显尾缘上表面区域仍然存在较大的涡而当小圆柱半径太大(.)时小圆柱对翼型上表面的涡影响过大阻碍上游气流流过小圆柱下方使得翼型表面重新生成大涡不利于气动性能提高 而当小圆柱大小最优(.)时小圆柱对翼型上表面涡的影响既能使得上游气流顺利通过小圆柱下方同时对涡的抑制作用最好 结 论)添加小圆柱的翼型在小攻角下的升力系数略低于原始翼型而在大攻角下的升力系数大于原始翼型 从总体效果看尾缘上表面附近添加小圆柱使得翼型气动性能得到改善)添加小圆柱后总体上推迟了翼型大攻角下的流动分离点改善了后缘上表面的涡流结构使得上游气流在流经尾缘时的扰流效应减弱减小了因为扰流而造成的滞止压力翼型上表面前段气流的流速增加压力系数减小)在大攻角状况下小圆柱对翼型尾部涡的影响具有使涡后移、分离大涡的作用但随着攻角的增加这种影响效果逐步降低)后缘上表面小圆柱存在最优尺寸使得对尾部涡流的控制效果最佳气动性能达到最好 小圆柱过小会导致对尾部涡流的影响太小太大则会对上游气流的影响增大而形成新的涡流图 不同尺寸小圆柱翼型后缘表面流线图.第 期 魏善群等:后缘表面圆柱扰流对翼型气动性能的影响参考文献 卢正帅林红阳易杨.风电发展现状与趋势.中国科技信息():.刘波贺志佳金昊.风力发电现状与发展趋势.东北电力大学学报():.宋娟娟徐宇陈洪胜等.叶片扰流器对风力机性能影响的数值研究.工程热物理学报():.王吉周翰伟张震宇.风力机叶片流动分离被动控制的数值模拟.第九届全国风能应用技术年会赤峰中国.周培蕊.风电机组叶片气动控制技术浅析.风能():.():.许坤.微型小插片流动控制技术在风力机叶片中的应用研究.上海:上海交通大学.李涛赵振宙陈景茹等.考虑转捩的风力机涡流发生器数值模拟.机械工程学报():.谢永慧屈焕成 等.合成射流对 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