翼型边界层分离对动态失速模型的影响研究.pdf

引 用 格 式:WAN GQ i n g,Z HAN G M i n,Z HUS h i h u a n,e t a lT h eE f f e c tR e s e a r c ho fA i r f o i l B o u n d a r yL a y e rS e p a r a t i o no nD y n a m i cS t a l lM o d e lJJ o u r n a l o fG a n s uS c i e n c e s,():王清,张敏,朱仕桓,等翼型边界层分离对动态失速模型的影响研究J甘肃科学学报,():d o i:/j c n k i i s s n 翼型边界层分离对动态失速模型的影响研究王清,张敏,朱仕桓,杨科(兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃 兰州 )摘要L e i s h m a n B e d d o e s模型因具有明确的物理概念和较高的计算精度而被广泛地应用于风力机设计和分析中.然而由于该模型来源于直升机旋翼翼型,直接应用于风电机组风轮翼型时存在较大的偏差.为此,针对典型风力机翼型开展了边界层分离响应规律研究,在此基础上通过对S 翼型定常气动载荷分析,提出了新的边界层分离点响应计算公式.通过对比分析不同状态下的动态失速特性得出,新的边界层分离响应公式能够有效改善风力机翼型边界层分离迟滞的计算精度,从而提高了动态失速模型的非定常气动载荷计算准确性.关键词翼型;动态失速;L B模型;风力机中图分类号:TH 文献标志码:A文章编号:()随着能源安全、环境污染等问题的日益凸显,风能、太阳能等可再生能源得到了社会的广泛关注,其中风电以技术成熟度高、开发成本低、资源丰富及无污染等优点,在近些年得到了快速发展.随着风电机组大型化趋势的日益凸显,风剪切、偏航等工作状态引起的风轮叶片动态失速问题得到了研究人员的广泛关注.大量研究表明,风力机在动态失速状态下运行的交变载荷将增长 ,从而导致风力机出现结构疲劳、失速颤振、功率预测不准确等问题.目前关于风电机组翼型动态失速研究主要包括经验模型 、数值模拟 以及试验方法 .经验模型由于能够快速计算出动态失速状态下的翼型气动载荷特性,从而广泛应用于风电机组分析和设计中,其中L e i s h m a n B e d d o e s(L B)模型 由于具有良好的物理模型以及较少的经验参数而得到了最广泛的应用.然而,早期的动态失速模型主要针对直升机旋翼翼型,但风力机翼型由于具有较大的厚度和弯度,其气流分离特性显著区别于直升机旋翼翼型.因此一些学者开展了针对风力机翼型的动态失速模型构建和修正研究,例如S h e n g等 通过动态失速前缘分离涡生成判断标准对经典的L B模型开展了修正研究,但仍然存在一定的不足(分离点捕捉不准确).因此,开展适用于风力机翼型的动态失速模型研究具有重要的科学研究意义和工程应用价值.由于不同翼型的边界层分离特性不同,表现出不同的升阻力特性,因此针对直升机翼型开发的经典L B模型直接用于风力机翼型存在一定的适用性问题,其关键即边界层分离特性的不同.为此,研究针对典型的风力机S 翼型的静态气动载荷,采用分段函数构建了边界层分离响应函数,并将其耦合到L B模型中,通过对比发现该边界层修正函数能够有效提高模型的计算精度.边界层分离响应研究经典L B模型的边界层分离分离流对于翼型气动特性的影响主要表现在环量项的损失,以及由此而造成的非线性力与力矩特性,对于有弯度的翼型尤为明显.针对二维物体,K i r c h h o f f给出了边界层分离的理论模型来描述分离区的范围.应用这一模型,翼型的法向力系数第 卷第期 年月 甘 肃 科 学 学 报J o u r n a l o fG a n s uS c i e n c e sV o l N o A u g 收稿日期:;修回日期:基金项目:甘肃省科技计划资助(J R RA );甘肃省高等学校创新能力提升项目(A )作者简介:王清(),男,甘肃民勤人,博士,副教授,研究方向为风力机空气动力学.E m a i l:w a n g q i n g_l u t f o x m a i l c o m可以近似地表示为分离点相对位置的函数,即CNC lf(),其中:C l是升力线斜率;f为后缘分离点的相对位置(以翼型弦长为无量纲标准);为翼型的零升迎角.由此可得,一旦给出了分离点的位置,则翼型分离状况下的法向力系数即可求出.利用翼型的静态升力曲线,经典L B模型中的边界层分离点f与迎角的变化关系如下:f e x pS,i f e x pS,i f 其中:系数S和S定义了翼型的静态失速特性,经典L B模型中不同来流速度下该值不同,在低速状态下,其值分别为和.定义为当f 时的翼型迎角,对于大多数直升机翼型来说,此迎角相当于静态失速迎角.边界层分离响应修正由于不同翼型的弯度、厚度和前缘半径等特征参数不同,对于不同翼型而言边界层分离特性不一致,若采用统一的边界层分离计算公式,显然不符合相应的物理规律.为解决L B模型在风力机翼型动态失速计算中气动载荷偏差过大的问题,采用新的分离函数进行风力机翼型边界层分离修正.不同于原始L B模型的分离点计算公式,结合S 翼型静态升力系数曲线特性,采用三段分段函数进行边界层分离响应描述,即f e x pS(),e x pS(),e x pS(),其中:表示翼型迎角增加过程中升力线斜率出现变化时的迎角();表示最大升力对应的S 翼型分离迎角();雷诺数为.为获得较好的拟合结果,指数函数中系数S、S和S通过数值优化方法来确定.通过分析可得S,S,S,L B模型中其他参数均采用原始L B模型中的参数.采用新的边界层分离响应修正公式后不同迎角下的分离点计算如图所示.从图可以看出,新的边界层分离响应修正公式能够更好地反映出翼型分离点随迎角变化的规律,而原始的边界层分离响应计算公式则在分离延伸区域(迎角变化范围在 )存在较大的偏差,这也是原始L B模型在风力机翼型动态失速模拟中计算精度不高的主要因素之一.图S 翼型边界层分离点F i g T h eb o u n d a r y l a y e r s e p a r a t i o np o i n t s o f t h eS a i r f o i l采用新的边界层分离响应修正公式,L B模型在定常状态下的升力系数与实验值 吻合得更好,如图所示.图定常状态下的升力系数计算对比F i g T h ec o m p a r i s o no f t h e l i f t c o e f f i c i e n tu n d e rs t e a d yc o n d i t i o n从图可以看出,采用修正公式后边界层分离点计算得更为准确,能够更好地计算升力线斜率发生改变后的升力系数随迎角变化的特性,而且在未失速时的升力线斜率更接近于实验值.相反,原始L B模型中的边界层分离响应公式无法准确计算升力线斜率的变化,因此计算的最大升力系数远大于实验测量结果.这表明新的边界层分离响应公式具有更高的计算精度,能够更好地反映出S 翼型的失速特性,从而改善动态失速模型的计算精度.动态失速特性分析深度动态失速特性分析图给出了S 翼型在深度动态失速状态下的气动载荷特 性对比,计 算 的 迎 角 变 化 为第 卷王清等:翼型边界层分离对动态失速模型的影响研究 s i n(t)、缩 减 频 率 为 ,来 流 速 度 为 m/s,对应的雷诺数为.图深度动态失速下的升力系数、阻力系数和力矩系数的对比关系F i g T h ec o m p a r i s o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nl i f t c o e f f i c i e n t,d r a gc o e f f i c i e n t a n dp i t c hm o m o n t c o e f f i c i e n tu n d e rd e e pd y n a m i c s t a l l从图(a)可以看出,在采用边界层分离响应修正公式后L B模型在迎角上升沿的计算值与实验值 吻合得很好,而且气流再附着过程中的升力系数更贴近于实验值.这表明边界层修正能够更好地计算翼型的动态失速特性.从图(b)可以看出,在采用了边界层分离修正公式后的模型计算相对于原始L B模型能够更好地描述翼型动态失速过程中的阻力发散.同时采用修正模型后阻力系数的迟滞回线面积更小,从而更接近于实验值.从图(c)可以看出,原始边界层分离响应公式的计算结果与实验值偏差较大,相反采用边界层分离响应修正公式的模型能够更好地模拟小迎角下的力矩系数分离和再附着变化规律,这主要是因为修正的边界层分离更准确,从而能够更好地反映出压力中心随迎角变化的规律.轻度动态失速特性分析图为S 翼型在轻度动态失速状态下非定常气动载荷对比,迎角变化为 s i n(t)、缩减频率为 ,来流速度与节中的速度相同.图轻度动态失速下的升力系数、阻力系数和力矩系数对比关系F i g T h ec o m p a r i s o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e n l i f t c o e f f i c i e n t,d r a gc o e f f i c i e n t a n dp i t c hm o m o n t c o e f f i c i e n tu n d e rm i l dd y n a m i c s t a l l从图(a)可以看出,采用新边界层分离响应公式的L B模型在迎角上升沿和下降沿均具有更高的计算精度,同时最大升力系数和失速迎角与实验甘 肃 科 学 学 报 年第期值基本一致.从图(b)可以看出,采用边界层分离修正公式的L B模型能够更好地模拟翼型在动态失速状态下的阻力变化特征,最大阻力系数相对于原始L B模型更接近于实验值,而且再附着过程中的阻力恢复也与实验值吻合得更好.相反,原始L B模型中由于边界层分离点的计算位置不准确,再附着过程中阻力系数的恢复出现了明显的迟滞.从图(c)可以看出,采用修正的边界层分离响应计算公式计算的力矩系数峰值虽然略大于实验值,但在气流再附着状态下的力矩系数相对于原始边界层分离响应计算得更准确,这表明新边界层分离响应修正公式能够更好地反映再附着过程中的边界层随迎角的变化规律.结论为解决精度L B动态失速模型在风力机翼型动态失速过程中的适应性问题,开展了典型风力机翼型边界层分离响应研究,具体结论如下:()为提高边界层分离响应的计算精度,根据典型风力机翼型定常状态下的升力系数特性,提出了新的边界层分离响应计算公式.()通过深度动态失速和轻度动态失速状态气动载荷对比,采用边界层分离响应修正公式能够有效改善L B模型中的最大升力系数和阻力系数,且失速迎角计算得更准确.参考文献:S h i p l e yDE,M i l l e rMS,R o b i n s o nMC D y n a m i cS t a l lO c c u r r e n c eo naH o r i z o n t a lA x i sW i n dT u r b i n eB l a d eR N R E L/T P U C C a t e g o r y D E ,G o l d e n,C o l o r a d o:N a t i o n a lR e n e w a b l eE n e r g yL a b o r a t o r y(N R E L),J o h n s o nW R o t o r c r a f tA e r o d y n a m i c sM o d e l s f o rC o m p r e h e n s i v eA n a l y s i sC/I n:P r o c o ft h e t hAm e r i c a nH e l i c o p t e rS o c i e t yA n n u a lF o r u m,W a s h i n g t o nD C,P e t o tD T o w a r daU n i f i e dL i f tM o d e l f o rU s e i nR o t o rB l a d eS t a b i l i t yA n a l y s i sJJ o u r n a l o f t h eAm e r i c a nH e l i c o p t e rS o c i e t y,():L e i s h m a nJGP r i n c i p l eo fH e l i c o p t e rA e r o d y n a m i c sMS e c o n dE d i t i o nL o n d o n:C a m b r i d g eU n i v e r s i t yP r e s s,陈旭,郝辉,田杰,等水平轴风力机翼型动态失速特性的数值研究J太阳能学报,():M a m o u r iA R,K h o s h n e v i s A B,L a k z i a n E E x p e r i m e n t a lS t u d yo f t h eE f f e c t i v eP a r a m e t e r so n t h eO f f s h o r eW i n dT u r b i n e sA i r f o i l i nP i t c h i n gC a s eJ O c e a nE n g i n e e r i n g,:胡智,刘鹏寅,沈昕,等不同参数对翼型动态失速流场影响的DMD分析J太阳能学报,():B a s t a n k h a h M,P o r t e A g e lF E x p e r i m e n t a la n dT h e o r e t i c a lS t u d yo fW i n dT u r b i n eW a k e s i nY a w e dC o n d i t i o n sJJ o u r n a l o fF l u i dM e c h a n i c s,:F e r r e i r aCS,K u i kG,B u s s e lG,e ta l V i s u a l i z a t i o nb yP I Vo fD y n a m i cS t a l lo naV e r t i c a lA x i s W i n dT u r b i n eJ E x p e r i m e n t s i nF l u i d s,:B e d d o e sTS R e p r e s e n t a t i o no fA i r f o i lB e h a v i o u rJ V e r t i c a,():L e i s h m a nJG,B e d d o e sT S A G e n e r a l i z e d M o d e lf o rU n s t e a d yA i r f o i lB e h a v i o ra n dD y n a m i cS t a l lU s i n gt h eI n d i c i a lM e t h o dC/P r o c e e d i n g so ft h e n dA n n u a lF o r u mo ft h eAm e r i c a nH e l i c o p t e rS o c i e t y,W a s h i n g t o nD C,L e i s h m a nJG,B e d d o e sTS AS e m i e m p i r i c a lM o d e l f o rD y n a m i cS t a l lJJ o u r n a lo ft h eAm e r i c a nH e l i c o p t e rS o c i e t y,():S h e n gW,G a l b r a i t hRA M c D,C o t o nFNI m p r o v e dD y n a m i cS t a l lO n s e tC r i t e r i o nf o rL o w M a c hN u m b e r s JJ o u r n a lo fA i r c r a f t,():S h e n gW,G a l b r a i t hR A M c D,C o t o nF N O nt h eR e t u r n F r o mA e r o f o i l S t a l lD u r i n gR a m p D o w nP i t c h i n gM o t i o n sJJ o u r n a l o fA i r c r a f t,():G u p t aS,L e i s h m a nJGS t a l lM o d e l i n go f aP a r k e dW i n dT u r b i n eB l a d ea n dC o m p a r i s o nw i t hE x p e r i m e n tC/P r o c e e d i n g so ft h e t h A S ME W i n dE n e r g yS y m p o s i u m a n dt h e r dA I AA A e r o s p a c eS c i e n c e sM e e t i n ga n dE x h i b i t,R e n o,H a n dM M,S i mm sDA,F i n g e r s hLJ,e ta l U n s t e a d yA e r o d y n a m i c sE x p e r i m e n tP h a s eV I:W i n dT u n n e lT e s tC o n f i g u r a t i o n sa n d A v a i l a b l eD a t aC a m p a i g n sR N R E L T P ,D e c e m b e r,R e u s sR,H o f f m a n n M J,G r e g o r e k G M E f f e c t so f G r i tR o u g h n e s sa n dP i t c h O s c i l l a t i o n s O nt h eS A i r f o i lRN R E L/T P ,第 卷王清等:翼型边界层分离对动态失速模型的影响研究T h eE f f e c tR e s e a r c ho fA i r f o i lB o u n d a r yL a y e rS e p a r a t i o no nD y n a m i cS t a l lM o d e lWANGQ i n g,Z HANG M i n,Z HUS h i h u a n,YANGK e(C o l l e g eo fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,L a n z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t T h eL e i s h m a n B e d d o e sm o d e l i sw i l d l yu s e di nw i n dt u r b i n ed e s i g na n da n a l y z eb e c a u s e i th a ss p e c i f i cp h y s i c a l c o n c e p t i o na n db e t t e rc o m p u t a t i o n a l a c c u r a c y H o w e v e r,t h e r e i sa l a r g ed e v i a t i o nw h e ni ti sd i r e c t l ya p p l i e d t ow i n d t u r b i n e a i r f o i l,w h i c hd e r i v e d f r o mh e l i c o p t e r r o t o r a i r f o i l T h e r e f o r e,t h eb o u n d a r y l a y e rs e p a r a t i o nr e s p o n s e l a wo f t y p i c a lw i n da i r f o i l i s s t u d i e d i n t h i sp a p e r B a s e do n t h i s,an e wb o u n d a r y l a y e rs e p a r a t i o nr e s p o n s e f o r m u l a i sp r o p o s e db ya n a l y z i n gt h es t e a d ya e r o d y n a m i c l o a do fS a i r f o i l T h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd y n a m i cs t a l lc h a r a c t e r i s t i cu n d e rd i f f e r e n ts t a t e s,t h en e w p r o p o s e db o u n d a r y l a y e rs e p a r a t i o nr e s p o n s ef o r m u l ac a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec a l c u l a t i o na c c u r a c yo fb o u n d a r yl a y e rs e p a r a t i o nh y s t e r e s i so fw i n dt u r b i n ea i r f o i l T h e r e f o r e i t i m p r o v e st h ea c c u r a c yo fu n s t e a d ya e r o d y n a m i c l o a dc a l c u l a t i o no fd y n a m i cs t a l lm o d e l K e yw o r d s A i r f o i l;D y n a m i cs t a l l;L Bm o d e l;W i n dt u r b i n e(本文责编:毛鸿艳)(上接第 页)c o n d i t i o n sw a sd i v i d e d i n t ot h r e e t e m p e r a t u r er a n g e,c o m b i n e dw i t h,t h r e e t e m p e r a t u r eu n d e r t h ec o n d i t i o no f l o wt e m p e r a t u r eb e n d i n gt e s tr e s u l t st oa n a l y z et h es t r e s sr e l a x a t i o ne f f e c to ft h ea s p h a l tm i x t u r ea n da s p h a l tm i x t u r ea tl o wt e m p e r a t u r ec r a c kr e s i s t a n c er e l a t i o n s F r o mt h ef r e e z e b r e a k i n gt e s t s t r e s sa n dt e m p e r a t u r e c u r v e,t h ed a t ao f s t r e s s a n d t i m e r e l a t i o n s h i pa n dr e l a x a t i o nm o d u l u sc u r v ew a so b t a i n e d T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ec o o l i n ga m p l i t u d e i se q u a l,t h e l o w e r t h et e m p e r a t u r ei s,t h eh i g h e r t h e i n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r ec h a n g eo ns t r e s s r e l a x a t i o n i s T h e l o wt e m p e r a t u r ec r a c k i n gr e s i s t a n c eo f a s p h a l tm i x t u r ed e c r e a s e sw i t ht h ew e a k e n i n go f s t r e s s r e l a x a t i o n T h e i n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r eo nt h es t r e s s r e l a x a t i o na b i l i t yo f r u b b e ra s p h a l tm i x t u r e i s l o w e r t h a nt h a to fS B Sm o d i f i e da s p h a l tu n d e rt h es a m eg r a d a t i o n K e yw o r d s C o l dr e g i o n s;D u r a b i l i t y;L o wt e m p e r a t u r ec r a c kr e s i s t a n c e;S t r e s s r e l a x a t i o n(本文责编:毛鸿艳)甘 肃 科 学 学 报 年第期