后缘表面圆柱扰流对翼型气动性能的影响.pdf
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1、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
2、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
3、、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
4、.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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
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