飛蟲粘附翼型對翼型氣動特性影響的實驗研究

肖春生，焦予秦，高永衛(wèi)

（西北工業(yè)大學(xué) 翼型葉柵空氣動力學(xué)國家重點實驗室，西安 710072）

0 引 言

由于NF－3風(fēng)洞為直流風(fēng)洞，風(fēng)洞入口直接通外界環(huán)境，在夏天實驗時風(fēng)洞內(nèi)會吸入飛蟲，實驗時飛蟲會粘著在翼型模型表面，此種現(xiàn)象也正好與風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在戶外工作條件下情況相似。另外在復(fù)雜惡劣壞境中長期工作時風(fēng)力機(jī)葉片發(fā)生腐蝕、覆蓋灰塵或者冰雪等，所有這些等于改變了翼型表面的粗糙度。由于粗糙度的大小和位置將影響到翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)以及升力效率，同時也會影響到翼型的失速迎角［1］，因此國內(nèi)外都開展了表面粗糙度對翼型氣動性能影響的實驗研究。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)開展了“附著物對直線翼垂直軸風(fēng)機(jī)性能的影響”［2］的研究；汕頭大學(xué)對風(fēng)力機(jī)翼型前緣表面粗糙度對氣動性能的影響也進(jìn)行了實驗研究［3］，并得到了相關(guān)的試驗結(jié)果。但是目前所研究的引起粗糙度的元素主要是冰或者固體顆粒，未將自然界中的飛蟲作為元素來研究。

針對實際大氣情況下翼型表面會被飛蟲粘著的問題，進(jìn)行了實驗探索，選用專門的風(fēng)力機(jī)翼型研究表面粘著飛蟲后的氣動特性。

1 模型及實驗設(shè)備

1.1 實驗設(shè)備

實驗在西北工業(yè)大學(xué)NF－3風(fēng)洞二元實驗段中進(jìn)行。NF－3風(fēng)洞為直流閉口試驗段風(fēng)洞，二元試驗段寬3m，高1.6m，長8m，風(fēng)速范圍20～130m／s，紊流度為0.045%。實驗?zāi)Ｐ停▓D1）展長為1.6m，弦長為0.8m，剖面為相對厚度35%的翼型。

為了研究模型表面飛蟲的分布，將翼型表面共分為3個區(qū)（如圖1），第二區(qū)的上下邊界距模型展向中心線為200mm，總高400mm。第一區(qū)在第二區(qū)上方，高度400mm，第三區(qū)在第二區(qū)下方，高度為400mm。3個區(qū)域的寬度都為400mm，并以翼型前緣為對稱上下翼面各有200mm的寬度。每個區(qū)域的面積相等且為S＝0.4m×0.4m＝0.16m2，3個區(qū)域的總面積為0.48m2。

圖1 實驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Testing model

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國PSI公司的9816電子掃描閥，共有683個壓力測量通道，采集速度為100Hz／ch，采集精度為±0.05%FS。該系統(tǒng)用來采集翼型的表面壓力和尾耙的壓力。

1.3 實驗方法

采用實驗?zāi)Ｐ拓Q跨試驗段上下壁的方法進(jìn)行，在模型翼展中心處沿翼型上下表面開靜壓孔，測量翼型表面的壓力，用以計算翼型的升力和俯仰力矩；在模型后緣1.3倍弦長處安裝總壓排管，測量模型尾跡區(qū)的總壓分布和靜壓，用以計算翼型的阻力。

實驗內(nèi)容如下：

（1）Re＝1.0×106時，實驗前擦拭模型和不擦拭模型（在進(jìn)行一次Re＝4.0×106狀態(tài)實驗后）的對比實驗研究；

（2）實驗前擦模型，實驗起始迎角分別為α＝－10°、7°、9°和11°時4個變化過程時的對比實驗（Re＝4.0×106）研究；

（3）實驗前擦模型，α＝8°和α＝9°時連續(xù)實驗（Re＝4.0×106），每隔1s、30s和5min分別采集一次表面壓力分布，研究翼型表面大面積分離的時間和此時翼型表面的飛蟲數(shù)量。

實驗中的飛蟲為自然界的普通飛蟲，大小約為1.5mm，與翼型模型弦長的比值為0.001875。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗前擦拭模型和不擦拭模型的對比研究

由圖2可以看出：Re＝1.0×106時，當(dāng)實驗前未擦模型（此時模型上已經(jīng)粘著有部分飛蟲），α＜－5°和α＞＋5°時翼型的升力線斜率明顯與實驗前擦模型的狀態(tài)不同，由0.0646變成0.1253，線性度不好；更為明顯的是其失速迎角降低了很多，由18°減小到了12°。圖3給出了對應(yīng)的阻力特性對比，實驗前未擦拭模型狀態(tài)在迎角為9°時開始迅速增加，而實驗前擦拭模型狀態(tài)的阻力則是在迎角18°開始快速增加。說明當(dāng)實驗前不擦拭模型時，隨著實驗的進(jìn)行模型表面上的飛蟲數(shù)量持續(xù)增加，達(dá)到一定程度時引起了翼型上表面大面積的氣流分離，從而引起翼型提前失速，并引起阻力相應(yīng)的快速增加。

圖2 實驗前是否擦翼型的升力特性對比，Re＝1.0×106Fig.2 Lift characteristics contrast whether the airfoil model wiped or not before testing，Re＝1.0×106

圖3 實驗前是否擦翼型的阻力特性對比，Re＝1.0×106Fig.3 Drag characteristics contrast whether the airfoil model wiped or not before testing，Re＝1.0×106

2.2 實驗開始迎角分別為－10°、7°、9°、和11°的對比研究

考慮到實驗過程中，模型表面粘著的飛蟲是隨時間逐漸增加的，因此專門研究了雷諾數(shù)為4.0×106時，實驗前將模型擦干凈，選擇不同迎角序列的對比試驗（起始迎角分別為：－10°、7°、9°和11°），圖4和5中給出相應(yīng)的對比結(jié)果。

由圖看出迎角從－10°開始實驗時，翼型在迎角8°時失速；迎角從7°開始實驗時，翼型在迎角9°時失速；迎角從9°開始實驗時，翼型在迎角11°時失速；迎角從11°開始實驗時，翼型已處于失速狀態(tài)。對應(yīng)的阻力特性曲線也呈現(xiàn)類似的規(guī)律。通過以上現(xiàn)象來分析，翼型的真實失速迎角是11°，但是在實際實驗時隨著時間的增加，模型表面粘著的飛蟲會大量增加，當(dāng)達(dá)到某個臨界狀態(tài)時將會引起翼型失速，但是這個失速迎角（以下稱為表象失速迎角）并不是真實的失速迎角，從本次實驗結(jié)果來看，真實失速迎角與表象失速迎角之間有著非常大的差別（本研究有3°的差別）。針對風(fēng)力機(jī)翼型而言，由于翼型要在復(fù)雜且惡劣的環(huán)境下工作，若翼型表面粘著了雜質(zhì)、飛蟲等，將大大降低翼型的氣動性能。

圖4 不同迎角序列狀態(tài)下的升力特性對比，Re＝1.0×106Fig.4 Lift characteristics contrast with different beginning angle，Re＝1.0×106

圖5 不同迎角序列狀態(tài)下的阻力特性對比，Re＝1.0×106Fig.5 Drag characteristics contrast with different beginning angle，Re＝1.0×106

2.3 表面飛蟲數(shù)量的實驗研究

首先在雷諾數(shù)為4.0×106，迎角為8°時，進(jìn)行不同時間間隔周期采集壓力分布的對比實驗，時間間隔周期為1s、30s和5min。圖6為1s間隔周期采集的模型表面壓力分布曲線，可見當(dāng)風(fēng)速穩(wěn)定后，83s之前壓力分布沒有發(fā)生變化并且沒有明顯分離區(qū)域，84s時翼型上表面距前緣60%弦長的位置發(fā)生了分離，1s后也就是85s時分離位置前移到50%弦長左右的位置，表明在從83～85s的2s內(nèi)，模型表面粘著的飛蟲已經(jīng)徹底改變了模型表面的流動狀態(tài)，而此后壓力分布則保持不變。分析認(rèn)為可能由于飛蟲在翼型表面的粘著，改變了翼型前緣的流動狀態(tài)或者是相當(dāng)于改變了翼型前緣的形狀引起了以上的突然變化。從停風(fēng)后觀察，此時1區(qū)大致有15只飛蟲，2區(qū)有59只左右，3區(qū)有114只左右；按單位面積算，1區(qū)為375只／m2、2區(qū)為1475只／m2、3區(qū)為2850只／m2，對于整個觀察范圍平均為1567只／m2。一只飛蟲在模型表面的面積大約為1mm2，1567只飛蟲所占據(jù)的面積大約為1m2的0.16%。

圖6 1s周期間隔采集的壓力分布曲線，α＝8°，Re＝4.0×106Fig.6 The pressure distribution curves of 1second periodic intervals acquisition，α＝8°，Re＝4.0×106

圖7為30s周期間隔采集的壓力分布曲線，翼型上表面的分離發(fā)生在90s的時候，忽略飛蟲粘著的不可確定因素以及時間間隔較長的原因，基本可以認(rèn)為失速發(fā)生的時間與間隔1s所得到的失速發(fā)生時間相吻合。圖8也驗證了這個結(jié)論，分離是發(fā)生在前5min內(nèi)。由此可以分析認(rèn)為，當(dāng)模型從負(fù)迎角開始實驗時，表面粘著的飛蟲逐漸增加，當(dāng)累積到一定時間和數(shù)量時則會引起模型表面大面積的分離。

表1 Re＝4.0×106、α＝8°時翼型表面飛蟲數(shù)量表 單位：只、只／m2Table1 Winged insect quantity on airfoil surface，Re＝4.0×106、α＝8°

圖7 30s周期間隔采集的壓力分布曲線，α＝8°，Re＝4.0×106Fig.7 The pressure distribution curves of 30seconds periodic intervals acquisition，α＝8°，Re＝4.0×106

圖8 5min周期間隔采集的壓力分布曲線，α＝8°，Re＝4.0×106Fig.8 The pressure distribution curves of 5minutes periodic intervals acquisition，α＝8°，Re＝4.0×106

圖9為雷諾數(shù)4.0×106，迎角9°時時間間隔為1s采集的表面壓力分布。至于迎角9°的失速時間（139s）比迎角8°的失速時間（83s）晚的原因可能與表面飛蟲的數(shù)量和分布有關(guān)，但由于該實驗狀態(tài)下為連續(xù)測量，并沒有進(jìn)行翼型表面飛蟲數(shù)量及分布的檢測。

圖9 1s周期間隔采集的壓力分布曲線，α＝9°，Re＝4.0×106Fig.9 The pressure distribution curves of 1second periodic intervals acquisition，α＝9°，Re＝4.0×106

另外在雷諾數(shù)為4.0×106，迎角為8°時，實驗前擦凈模型，當(dāng)風(fēng)速穩(wěn)定后立即采集表面壓力分布數(shù)據(jù)，隨即停風(fēng)，并記錄模型表面飛蟲數(shù)量的實驗。曲線見圖10。圖中可見第七次采集時翼型模型表面有50%面積的分離區(qū)域。停風(fēng)后模型表面3個區(qū)的飛蟲數(shù)量如表1，翼型表面的飛蟲圖像示意照片見圖11。

圖10 表面飛蟲數(shù)量研究的壓力分布曲線，α＝8°，Re＝4.0×106Fig.10 The pressure distribution curves of winged insect quantity on the surface，α＝8°，Re＝4.0×106

圖11 翼型表面飛蟲Fig.11 Winged insects on airfoil surface

由于飛蟲數(shù)量是在停風(fēng)后測量出來的，那么前一次測量的飛蟲數(shù)量實際上為后一次測量開始前模型上已存在的飛蟲數(shù)量。表中顯示第七次采集后的飛蟲數(shù)量為334只，而第六次采集結(jié)束時為308只，兩者的飛蟲數(shù)量差距不是非常大，但是比雷諾數(shù)1.0×106時的188只多出很多，單位面積內(nèi)飛蟲所占據(jù)的面積也由0.16%增加到0.28%。說明隨著雷諾數(shù)的增加模型表面粘著的飛蟲數(shù)量大量增加。

本次實驗只研究了模型表面飛蟲數(shù)量對翼型失速的影響，沒有對表面飛蟲的厚度影響進(jìn)行研究。筆者認(rèn)為當(dāng)翼型表面的飛蟲數(shù)量達(dá)到一定量時，由于飛蟲厚度的增加，原始的翼型已經(jīng)發(fā)展成了一個新的翼型，從而產(chǎn)生了不同的氣動特性，但由于無法測量飛蟲的厚度，所以還不能從實驗上進(jìn)行驗證，但可以考慮通過數(shù)值計算模擬的辦法進(jìn)行初步的計算分析。

3 結(jié) 論

通過風(fēng)洞實驗研究，可得出以下結(jié)論：

（1）模型表面的飛蟲數(shù)量會改變翼型的失速迎角即表象失速迎角，該迎角與真實失速迎角有較大差別；

（2）模型表面粘著的飛蟲數(shù)量累計到一定程度時（蚊蟲的大小、數(shù)量、覆蓋的面積以及翼型本身特性的綜合因素），將會導(dǎo)致翼型表面50%區(qū)域以上的面積發(fā)生分離，引起翼型失速。

［1］ WALID Chakriun，ISSA AI－Mesri，SAMI AI－Fahad.Effect of surface roughness on the aerodynamic characteristics of a symmetrical airfoil［J］.Wind Engineering，2004，28（5）：547－564.

［2］ 李巖，田川公太郎.葉片附著物對直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)性能的影響［J］.動力工程，2009，29（3）：292－296.

［3］ 包能勝，倪維斗.風(fēng)力機(jī)翼型前緣表面粗糙度對氣動性能影響［J］.太陽能學(xué)報，2008，29（12）：1465－1470.

［4］ 王鐵城.空氣動力學(xué)實驗技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1986.4