直葉片動態(tài)效應(yīng)水動力特性實驗研究

王利東， 王 龍， 陳 兵， 永田修一， 村上天元

（1.大連理工大學 海洋科學與技術(shù)學院， 遼寧 盤錦 124221； 2.佐賀大學 海洋能研究所， 佐賀縣 佐賀市 8408502）

0 引言

翼型動態(tài)效應(yīng)是一個非定常流動的分離現(xiàn)象[1]，其會導致動態(tài)失速角明顯超過靜態(tài)失速角，并嚴重影響翼型的氣動力/水動力性能（如翼型的升力系數(shù)峰值增大、阻力系數(shù)驟然增大等）。 在工程問題中，翼型的動態(tài)效應(yīng)是須要著重考慮的一個因素。 許多學者針對翼型的動態(tài)效應(yīng)進行了大量研究[2]。 D E Shipley 的研究表明，須要考慮直升機飛行時的動態(tài)失速，否則會造成機翼俯仰力矩的增大以及氣動中心的失穩(wěn)，嚴重影響直升機的安全飛行[3]。 祝健的研究表明，翼型動態(tài)效應(yīng)會影響風力機葉片的穩(wěn)定性，并縮短風力機葉片的使用壽命[4]。 因此，研究翼型的動態(tài)效應(yīng)具有十分重要的意義。

目前，研究翼型動態(tài)效應(yīng)的手段主要有3 種：數(shù)值模擬[5]、半經(jīng)驗工程模型和實驗方法[6]。 針對二維翼型的動態(tài)效應(yīng)，國內(nèi)外學者做了大量數(shù)值模擬研究。 Kaufmann K[7]對俯仰翼型進行了動態(tài)失速實驗和數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明，數(shù)值模擬中第一次出現(xiàn)失速的區(qū)域和實驗結(jié)果相一致，數(shù)值模擬在葉尖區(qū)域出現(xiàn)了更強的分離現(xiàn)象和更大的滯后效應(yīng)。 Kim Y[8]用CFD 方法研究了自由流湍流對翼型動態(tài)效應(yīng)的影響，分析了翼型上游的湍流以及湍流強度對翼型的影響。 Hand B[9]用數(shù)值模擬的方法研究了垂直軸風力機翼型在高雷諾數(shù)下的動態(tài)失速， 比較了U-RANS 和DES 方法對NACA0018 翼型的動態(tài)效應(yīng)的影響， 發(fā)現(xiàn)增加雷諾數(shù)有利于提高機翼的氣動性能。 除了數(shù)值模擬研究外， 學者們對翼型的失速也進行了大量實驗研究。 劉清照[10]通過水槽實驗研究了NACA0018葉片在靜態(tài)下的水動力特性。 李國強[11]通過風洞實驗研究了風力機葉片的動態(tài)失速。

本文重點分析了直葉片在不同轉(zhuǎn)速下的水動力特性，以及在相同轉(zhuǎn)速不同來流速度下的升、阻力系數(shù)的變化趨勢， 從而為翼型的動態(tài)失速研究提供一定的參考。

1 實驗方法

1.1 模型參數(shù)

本實驗以NACA0018 翼型作為實驗?zāi)Ｐ停撘硇途哂休^好的水動力特性， 被廣泛應(yīng)用于垂直軸潮流能水輪機上。 圖1 為NACA0018 翼型圖。

圖1 NACA0018 翼型圖Fig.1 NACA0018 airfoil blade

如圖1 所示，翼型的弦長為150 mm，葉片的旋轉(zhuǎn)中心距離葉片前緣36 mm， 葉片旋轉(zhuǎn)中心處旋轉(zhuǎn)軸的直徑為12 mm。

1.2 實驗設(shè)備

本實驗在日本佐賀大學伊萬里海洋能研究所進行。 實驗水槽高度為1 m，寬1 m，水深恒定為0.7 m，來流流速為0～1.5 m/s。圖2 為實驗裝置圖。實驗裝置包括三腳架、25 W 調(diào)速電機、轉(zhuǎn)動裝置、傳感器、聯(lián)軸器和葉片。三腳架的水平平面固定在水槽上方的桁架上，利用垂直平面固定調(diào)速電機；調(diào)速電機與轉(zhuǎn)動裝置上部相連接， 轉(zhuǎn)動裝置包括軸、軸承和凸輪結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)動裝置下方連接美國ATI Mini45 六軸力/力矩傳感器， 該傳感器在x，y 方向上的量程為100 N，z 方向上的量程為700 N，且傳感器的精度為千分之一，能夠充分保證所測數(shù)據(jù)的準確性；傳感器下方連接葉片。實驗時，啟動調(diào)速電機，電機帶動傳動裝置使葉片以不同的擺動速度在0～30°內(nèi)轉(zhuǎn)動。

圖2 實驗裝置Fig.2 The experimental device

1.3 實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容主要分為葉片靜態(tài)分析和動態(tài)效應(yīng)分析。其中：靜態(tài)分析為測完一個來流迎角的水動力性能后，不斷地改變來流迎角，逐個求解，此時翼型處于靜止狀態(tài)；動態(tài)效應(yīng)為在電機的帶動下，葉片不斷改變來流迎角，測得葉片的水動力性能。

1.3.1 靜態(tài)分析

初始來流速度為0.5 m/s，然后加速至0.8 m/s，測量該過程中葉片受力的變化； 來流速度從0.8 m/s 不斷減速至0.5 m/s， 測量該過程中葉片受力的變化。 在來流加、減速過程中，葉片受力的歷時曲線如圖3 所示。

圖3 葉片受力的歷時曲線Fig.3 The history curves of the force acting on the airfoil blade

實驗時，來流速度可由傳感器測得，雷諾數(shù)的計算式為

式中：ρ 為水的密度，kg/m3；v 為來流速度，在來流加、 減速過程中v 取平均速度，m/s；c 為翼型的弦長，m；μ 為水的粘性系數(shù)，Pa·s。

由式（1）可知：當來流速度為0.5 m/s 時，對應(yīng)的雷諾數(shù)為0.75×105； 當來流增大到0.8 m/s 時，雷諾數(shù)相應(yīng)的增大到1.2×105， 即在本實驗中，雷諾數(shù)為0.75×105～1.2×105。翼型的水動力性能主要包括升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比等。 由六軸力/力矩傳感器測出葉片受到的升力FL和阻力FD，升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd可分別由式 （2），（3）計算得到。

式中：s 為葉片的展長，m。

1.3.2 動態(tài)效應(yīng)分析

在電機的帶動下，葉片以不同的擺動速度從0°開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到30°后，從30°再次回到0°，整個過程為一個周期。在本次實驗中，葉片采用3 種不同的擺動速度，即采用3 種不同的電機轉(zhuǎn)速，分 別 為ω1=0.115 rad/s，ω2=0.223 rad/s，ω3=0.345 rad/s。在葉片周期擺動的過程中，傳感器收集到多個周期下的葉片受力數(shù)據(jù)，根據(jù)式（2），（3）計算出一個周期下的升、阻力系數(shù)曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 加、減速過程中的葉片水動力特性

在來流加、減速過程中，葉片在不同來流迎角下的水動力系數(shù)變化曲線如圖4 所示。

圖4 來流迎角對葉片水動力系數(shù)的影響Fig.4 The impact of the flow angles of attack on the hydrodynamic coefficients of the blade

從圖4（a）可以看出：隨著來流迎角的逐漸增大，葉片的升力系數(shù)也開始逐漸增大，當來流迎角增大到一定角度（葉片的失速角）后，葉片的升力系數(shù)突然減小，葉片的水動力性能急劇惡化，之后再逐漸增大來流迎角， 葉片的升力系數(shù)再次逐漸增大；隨著來流迎角從0°逐漸增大到21°，葉片的阻力系數(shù)一直處于增大狀態(tài)，而在失速角附近，阻力系數(shù)有一個突然增大的過程。 從圖4（b）可以看出，在來流減速過程中，葉片在不同來流迎角下的水動力系數(shù)的變化趨勢和來流加速過程中的基本相同，即在失速角附近，均出現(xiàn)了升力系數(shù)突然減小以及阻力系數(shù)突然增大的現(xiàn)象。

從圖4 中可以看出：在來流加速過程中，葉片的失速角為12°，此時的最大升力系數(shù)為0.92；在來流減速過程中，葉片的失速角為13°，此時的最大升力系數(shù)為0.90。 在來流加、減速過程中，葉片的失速角變化不明顯，即在葉片處于靜止狀態(tài)時，均勻增加來流的速度和均勻減小來流的速度，對葉片的影響基本相同。

2.2 同一來流速度不同轉(zhuǎn)速下的葉片水動力特性

保持來流速度不變， 啟動電機， 在電機帶動下，葉片以不同的擺動速度在0～30°內(nèi)擺動。在本實驗中，葉片采用3 種不同的擺動速度，即采用3種不同的電機轉(zhuǎn)速來帶動葉片擺動。 當來流速度分別為0.5，0.6，0.8 m/s 時， 測得的葉片水動力系數(shù)曲線分別如圖5～7 所示。

圖5 來流速度為0.5 m/s 時的葉片水動力系數(shù)曲線Fig.5 The hydrodynamic coefficient curves of the airfoil blade when the inflow velocity is 0.5 m/s

圖6 來流速度為0.6 m/s 時的葉片水動力系數(shù)曲線Fig.6 The hydrodynamic coefficient curves of the airfoil blade when the inflow velocity is 0.6 m/s

圖7 來流速度為0.8 m/s 時的葉片水動力系數(shù)曲線Fig.7 The hydrodynamic coefficient curves of the airfoil blade when the inflow velocity is 0.8 m/s

從圖5～7 中的升力系數(shù)曲線可以看出：當來流速度不同時，在整個周期運動的過程中，葉片的升力系數(shù)曲線均為閉合環(huán)形曲線： 在不同的轉(zhuǎn)速下，葉片的升力系數(shù)曲線有大致相同的變化趨勢；在0～30°這個階段， 葉片的升力系數(shù)隨著來流迎角的增加而逐漸增大，達到失速角后，葉片的升力系數(shù)開始逐漸下降；到達30°后，葉片開始往回運動，在30～0°這個階段，葉片的升力系數(shù)開始逐漸減小。 從圖5～7 中的阻力系數(shù)曲線可以看出，在0～30°這個階段，隨著來流迎角的增加，葉片的阻力系數(shù)逐漸增大， 并在失速角附近驟然增大；在30～0°這個階段，葉片的阻力系數(shù)逐漸降低到0。

在來流速度為0.8 m/s 的情況下，當電機轉(zhuǎn)速為ω1時，葉片的最大升力系數(shù)為1.49，失速角為14°；當電機轉(zhuǎn)速為ω2時，葉片的最大升力系數(shù)為2.0，失速角為19°；當電機轉(zhuǎn)速為ω3時，葉片的最大升力系數(shù)為2.2，失速角為25°。綜上可知，隨著電機轉(zhuǎn)速的不斷增大， 葉片的失速角不斷后移，且升力系數(shù)最大值不斷增大。這是因為轉(zhuǎn)速的增加導致葉片的局部雷諾數(shù)增加， 相應(yīng)的失速角增大，而當轉(zhuǎn)速增大到一定程度后，葉片在0～30°內(nèi)不會再發(fā)生動態(tài)失速的現(xiàn)象。 和靜態(tài)分析不同的是，在動態(tài)效應(yīng)下，葉片升、阻力系數(shù)的最大值均大于靜態(tài)下的升、阻力系數(shù)最大值，且失速角和靜態(tài)下的也不同，失速延遲現(xiàn)象明顯。

2.3 同一轉(zhuǎn)速不同來流速度下的葉片水動力特性

電機轉(zhuǎn)速一定時， 不同來流速度對葉片升力系數(shù)的影響如圖8 所示。從圖8 可以看出，在固定電機轉(zhuǎn)速后， 來流速度對葉片水動力性能的影響具有一致性。以電機轉(zhuǎn)速為0.345 rad/s 為例，當來流速度為0.5 m/s 時，葉片失速角為18°；當來流速度為0.6 m/s 時，葉片失速角為19°；當來流速度為0.8 m/s 時，葉片失速角為24°。 綜上可知，當增大來流速度時，葉片的失速角不斷后移，這是因為來流速度的增大導致雷諾數(shù)增大， 而雷諾數(shù)的大小影響了升力系數(shù)曲線。 在圖8（a），（b）中，升力系數(shù)曲線有相同的變化趨勢， 即在來流速度增大的情況下，失速角不斷后移。

圖8 葉片在不同來流速度下的升力系數(shù)變化曲線Fig.8 The variation curve of lift coefficient of blade at different inlet velocity

3 結(jié)論

①在靜態(tài)分析情況下，來流在加、減速過程中對葉片的水動力特性影響基本相同， 均出現(xiàn)了在失速角附近升力系數(shù)驟然降低以及阻力系數(shù)驟然增大的現(xiàn)象。

②在動態(tài)分析情況下， 葉片的升力系數(shù)出現(xiàn)了“滯環(huán)”現(xiàn)象，NACA0018 翼型的失速角隨著電機轉(zhuǎn)速的增大而增大， 最大升力系數(shù)也隨之逐漸增大，電機轉(zhuǎn)速增大到一定程度后，可以降低動態(tài)失速的嚴重程度甚至避免其發(fā)生。

③與靜態(tài)分析相比， 翼型的動態(tài)失速角大于靜態(tài)失速角，失速延遲現(xiàn)象較為明顯。