羅 帥,繆維跑,2,劉青松,李 春,2
(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093;2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093)
風(fēng)能因具有分布廣泛、無污染及可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛利用。風(fēng)力機(jī)葉片是捕捉風(fēng)能的關(guān)鍵部件,翼型作為葉片基本單元,其空氣動(dòng)力學(xué)特征直接影響風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能效率[1-3]。翼型攻角(angle of attack,AOA)較大時(shí),因流體在翼型吸力面無法克服逆壓梯度且受黏性影響而與翼面分離,產(chǎn)生周期性渦脫落,導(dǎo)致翼型升力減小、阻力增大及所受載荷劇烈波動(dòng),直接降低風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)效率[2-3]。因此,采用有效的流動(dòng)控制技術(shù)減緩翼型流動(dòng)分離,是提升風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能效率的關(guān)鍵。
根據(jù)是否需要能量輸入,流動(dòng)控制技術(shù)可分為主動(dòng)流動(dòng)控制(Active Flow Control,AFC)和被動(dòng)流動(dòng)控制(Passive Flow Control,PFC)[4-5]。較之PFC,AFC通過小范圍能量輸入獲得局部甚至全局流場(chǎng)結(jié)構(gòu)改善,可有效減小因流動(dòng)分離造成的氣動(dòng)損失,適用于多種流態(tài)的控制[6-7]。吹/吸氣射流作為一種AFC,通過吸除低動(dòng)量或吹入高動(dòng)量流體,可提高翼型壁面流體抗逆壓梯度的能力,改變翼型表面壓力分布,以達(dá)到抑制流動(dòng)分離和增升減阻的效果[8-9]。
張玲等[10]在3.6 MW水平軸風(fēng)力機(jī)翼型截面上開孔以施加定常吸氣,采用S-A模型對(duì)多種工況開展數(shù)值模擬,得出定常吸氣使翼型吸力面壓強(qiáng)降低,吸力面與壓力面壓差增大,進(jìn)而增大翼型升力系數(shù),同時(shí)翼型吸力面失速區(qū)范圍減小。Owens等[11]采用吸氣控制機(jī)翼流動(dòng)分離,所進(jìn)行的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過吸氣可有效改善機(jī)翼的氣動(dòng)性能,維持機(jī)翼表面附著流動(dòng),升阻比最大可提升21%。焦予秦等[12]在尾緣襟翼上布置若干吹氣孔,采用數(shù)值模擬方法分析吹氣控制對(duì)多段翼型氣動(dòng)性能的影響,結(jié)果表明:安裝1個(gè)吹氣控制口時(shí)三段翼型的升力系數(shù)相比原始翼型提升6.7%,采用3個(gè)吹氣控制口時(shí)升力系數(shù)提升9.16%,而在主翼及襟翼布置5個(gè)吹氣控制口可使升力系數(shù)提升30.05%。Rezaeiha等[13]對(duì)比分析了不同尖速比吸氣對(duì)單翼型VAWTs動(dòng)態(tài)失速的影響,結(jié)果表明:尖速比為2.5、3和 3.5時(shí),風(fēng)力機(jī)功率增益分別為219.6%、74.3%和19.6%,并指出吸氣速度幅值為0.5%足以抑制流動(dòng)分離。張志勇等[14]基于Favre過濾的大渦模擬方法,對(duì)雷諾數(shù)Re=104的NACA 0012翼型吸力面吹吸氣射流進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明:較吹氣控制,吸氣效果更好,可有效增升減阻,且前緣吸氣明顯優(yōu)于中后緣吸氣。Trevelyan等[15]通過數(shù)值模擬研究格尼襟翼和尾緣射流對(duì)NACA4415翼型的作用效果,發(fā)現(xiàn)尾緣射流與傳統(tǒng)格尼襟翼相比升力增量相當(dāng),而阻力較小。
現(xiàn)階段吹/吸射流已普遍應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)翼型,可有效改善流動(dòng)狀態(tài),并提高翼型氣動(dòng)性能。但吹/吸射流仍存在一定局限性,如吸氣在小攻角時(shí)會(huì)增加翼型阻力,尾緣吹氣不能有效控制大攻角流動(dòng)分離,且上述研究較少考慮吸入氣體排出或吹氣所需額外氣源。筆者提出吸吹結(jié)合射流(SBCJ),以S809為基礎(chǔ)翼型,研究SBCJ在不同攻角、射流動(dòng)量系數(shù)及開孔位置時(shí)的控制效果,分析總結(jié)其控制機(jī)理和影響規(guī)律,以期為SBCJ應(yīng)用于風(fēng)力機(jī)葉片提供理論依據(jù)。
將吸吹結(jié)合射流應(yīng)用于S809翼型(弦長(zhǎng)c為0.457 m),如圖1所示。其中,吸氣孔位于吸力面前緣,將低動(dòng)量流體移除,抑制流動(dòng)分離,吸氣速度Vs與翼型表面正交;吹氣孔位于壓力面尾緣,將吸入流體吹出,增大尾緣環(huán)量,吹氣速度Vb與翼型弦線垂直。ws與wb分別為吸氣孔與吹氣孔寬度,均為0.01c,吸氣速度與吹氣速度大小相等,質(zhì)量流量為0,故該射流系統(tǒng)無需額外氣源。參考Zha等提出的結(jié)合射流,SBCJ翼型內(nèi)部可通過泵實(shí)現(xiàn)流體吹吸[16-17]。Ls為吸氣孔與前緣距離;Lb為吹氣孔與尾緣距離。
圖1 SBCJ翼型幾何模型Fig.1 Geometric model of SBCJ airfoil
翼型主要?dú)鈩?dòng)參數(shù)包括升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD、升阻比K和壓力系數(shù)Cp,如式(1)~式(4):
(1)
(2)
K=CL/CD
(3)
(4)
式中:FL、FD分別為升力和阻力,N;ρ為空氣密度,kg/m3;V∞為來流風(fēng)速,m/s;p、p∞分別為翼型表面壓力與來流壓力,Pa。
射流動(dòng)量系數(shù)Cμ用以衡量射流強(qiáng)度[18],定義為:
Cμ=2qm,jVj/(ρV∞c)
(5)
式中:qm,j為射流質(zhì)量流量,kg/s;Vj為射流速度,m/s。
為克服泵送流體總壓損失,射流功耗Pj可通過質(zhì)量流量與總壓比計(jì)算得出[19-20],其表達(dá)式為:
(6)
式中:cp為比定壓熱容,kJ/(kg·K);Tts為吸氣孔總溫,298.15 K;ηj為泵效率,取80%;ptb與pts分別為吹氣、吸氣孔總壓,Pa;γ為比熱比。
對(duì)于主動(dòng)控制,可在阻力中加入功率消耗以修正阻力系數(shù)和升阻比[21]:
(7)
(8)
CD,c=CD+CD,j
(9)
Kc=CL/CD,c
(10)
式中:CPj為射流功率消耗系數(shù);CD,c為修正阻力系數(shù);Kc為修正升阻比;CD,j為未修正的阻力系數(shù)。
SBCJ翼型計(jì)算域幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分見圖2。其中:S1與S2為不同程度網(wǎng)格加密區(qū),S3為遠(yuǎn)場(chǎng)域。翼型弦線中心為原點(diǎn),AD、AB及CD均為速度進(jìn)口,AD半徑為15c,來流速度大小為32 m/s,雷諾數(shù)為1×106。BC為壓力出口,距翼型前緣30c,翼型表面為無滑移壁面。流體介質(zhì)為空氣,密度為1.184 kg/m3,動(dòng)力黏度為1.855×10-5kg/(m·s)。
(a)幾何結(jié)構(gòu)與邊界條件
網(wǎng)格合理分布可保證計(jì)算效率與結(jié)果的準(zhǔn)確性,與四邊形網(wǎng)格相比,多邊形網(wǎng)格具有更好的收斂性[22],可提高計(jì)算效率并保證準(zhǔn)確性。筆者采用二維多邊形網(wǎng)格,在翼型壁面采用棱柱層網(wǎng)格,共30層,總厚度為10 mm,便于捕捉近壁面剪切層和分離流。為保證y+值小于1以計(jì)算邊界層黏性底層流動(dòng),翼型壁面第1層網(wǎng)格高度約為0.01 mm。為簡(jiǎn)化計(jì)算,翼型內(nèi)部流道可省略,吸氣孔與吹氣孔均為速度出口,由射流動(dòng)量系數(shù)決定[23-24]。
基于有限體積法求解雷諾時(shí)均非定常(Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes,URANS)N-S方程。采用基于壓力速度耦合的SIMPLE算法,控制方程各項(xiàng)均使用二階迎風(fēng)格式,時(shí)間離散為二階隱式格式。
文獻(xiàn)[25]和文獻(xiàn)[26]中對(duì)比了不同湍流模型對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響,發(fā)現(xiàn)SSTk-ω湍流模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,故選擇該湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
為選擇合理網(wǎng)格數(shù)量,原始翼型及SBCJ翼型網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證見圖3。此時(shí)攻角為18°,SBCJ翼型吸氣孔距前緣0.25c,吹氣孔位于尾緣,射流動(dòng)量系數(shù)為0.01,網(wǎng)格數(shù)量分別為6×104、8×104、10×104、12×104和14×104。由圖3可知,原始翼型網(wǎng)格數(shù)量超過10×104時(shí)升、阻力系數(shù)均穩(wěn)定,而SBCJ翼型則至少需12×104網(wǎng)格數(shù)量才能保持升、阻力系數(shù)基本不變。為保證模擬的準(zhǔn)確性與效率,下文均采用12×104網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。
(a)升力系數(shù)CL
原始翼型不同攻角下升、阻力系數(shù)與文獻(xiàn)[27]實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比如圖4所示。由圖4可知,小攻角時(shí)升、阻力系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值誤差很小,隨著攻角增大,翼型產(chǎn)生流動(dòng)分離,誤差增大。兩者總體趨勢(shì)基本吻合,故數(shù)值計(jì)算結(jié)果合理可信,符合分析精度要求。
圖4 原始翼型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.4 Comparison between experimental data and numerical values of original airfoil
不同射流動(dòng)量系數(shù)下SBCJ翼型氣動(dòng)性能如圖5所示,此時(shí)SBCJ翼型吸氣孔距前緣0.25c,吹氣孔位于壓力面尾緣,通過改變吹吸氣速度,從而改變射流動(dòng)量系數(shù)。
(a)升力系數(shù)CL
由圖5(a)可知,當(dāng)攻角變化時(shí),SBCJ翼型升力系數(shù)較原始翼型均大幅提升,且隨射流動(dòng)量系數(shù)的增大,升力系數(shù)增大越明顯。原始翼型失速攻角約為16°,最大升力系數(shù)為1.19,射流動(dòng)量系數(shù)從0.005增大至0.100時(shí),SBCJ翼型升力系數(shù)峰值分別為2.09、2.29、2.76、3.23和3.55,較原始翼型分別提升75.63%、92.44%、131.93%、171.43%和198.32%。同時(shí),SBCJ翼型可顯著延緩失速攻角,射流動(dòng)量系數(shù)為0.050時(shí),翼型失速攻角最大可推遲至20°左右。圖5(b)給出的翼型阻力系數(shù)CD未考慮射流能耗。較原始翼型,當(dāng)攻角小于18°時(shí),SBCJ翼型出現(xiàn)負(fù)阻力特性,表明射流可對(duì)翼型產(chǎn)生推力,射流動(dòng)量系數(shù)越大,推力越明顯。當(dāng)攻角大于18°,射流動(dòng)量系數(shù)為0.005與0.010時(shí)的SBCJ翼型阻力系數(shù)仍低于原始翼型,隨射流動(dòng)量系數(shù)增大,翼型阻力急劇增大,導(dǎo)致翼型氣動(dòng)性能降低。
圖5(c)、圖5(d)及圖5(e)分別給出了吹吸氣孔總壓比ptb/pts、修正阻力系數(shù)CD,c及修正升阻比Kc隨攻角的變化。由圖5可知,考慮到泵送流體能耗,同一射流動(dòng)量系數(shù)下,隨著攻角增大,總壓比先增大后減小,總體變化不大;不同射流動(dòng)量系數(shù)下總壓比變化趨勢(shì)相同,與射流動(dòng)量系數(shù)呈正相關(guān)。隨射流動(dòng)量系數(shù)增大,總壓比增大,造成修正阻力系數(shù)顯著增大,且翼型修正升阻比增益范圍大幅降低。雖然射流動(dòng)量系數(shù)增大可使翼型升力系數(shù)明顯增大,但所需能耗急劇增加,經(jīng)濟(jì)性較差;而射流動(dòng)量系數(shù)減小可有效抑制翼型邊界層分離,推遲翼型失速攻角,同時(shí)因能耗較小,大范圍攻角內(nèi)修正升阻比均顯著提升。0~24°攻角范圍內(nèi),射流動(dòng)量系數(shù)為0.025、0.010和0.005時(shí)SBCJ翼型的最大修正升阻比Kc,max分別為74.88、72.03和53.42,較原始翼型(Kc,max=50.37)分別提升48.66%、43%和6.06%。射流動(dòng)量系數(shù)進(jìn)一步增大時(shí),最大修正升阻比降低。綜上,SBCJ翼型在射流動(dòng)量系數(shù)較小時(shí)即具有升力系數(shù)較大、修正阻力系數(shù)較小及流動(dòng)分離控制效果相對(duì)較好的氣動(dòng)特性。
為揭示SBCJ翼型的流動(dòng)控制機(jī)理,圖6給出了攻角為22°時(shí)不同射流動(dòng)量系數(shù)流線渦量圖與原始翼型的對(duì)比。由圖6可知,在22°攻角時(shí),原始翼型吸力面存在大范圍流動(dòng)分離區(qū),尾緣正向渦在吸力面脫落,壓力面駐點(diǎn)靠近前緣。對(duì)翼型施加吹吸結(jié)合射流后,射流動(dòng)量系數(shù)低于0.025時(shí),翼型駐點(diǎn)遠(yuǎn)離前緣,因吸力作用邊界層內(nèi)低動(dòng)量流體得以有效移除,且孔口附近流線曲率增大,使前緣流體在大攻角下仍能再附著于翼型表面,從而抑制前緣渦的形成與發(fā)展,避免因小渦聚集成大渦而造成的劇烈失速渦脫落,從而達(dá)到增升減阻的效果。此外,尾緣吹氣孔通過噴射氣流增加翼型有效彎度,使吸力面尾緣處流體向壓力面偏轉(zhuǎn),在壓力面形成改變翼型庫(kù)塔條件的脫落渦,有助于增大翼型環(huán)量,進(jìn)一步增大翼型升力系數(shù)。射流動(dòng)量系數(shù)為0.050和0.100時(shí),因吸氣孔周圍流線曲率過大,致使吸力面產(chǎn)生周期性強(qiáng)渦脫落,升、阻力系數(shù)波動(dòng)劇烈,且因能耗顯著增加,翼型修正升阻比明顯減小。
(a)原始翼型
圖7給出了22°攻角時(shí)不同射流動(dòng)量系數(shù)下翼型表面壓力系數(shù)分布。由圖7可知,隨著射流動(dòng)量系數(shù)的增大,翼型兩側(cè)壓差增大。吸氣孔將分離區(qū)低速流體移除,抑制前緣渦的形成與發(fā)展,顯著提升前緣負(fù)壓峰值,使翼面流動(dòng)分離點(diǎn)后移,大面積降低分離渦范圍,減輕了失速對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響。因吹氣增加了翼型有效彎度,尾緣氣流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),在壓力面形成脫落渦,吸力面流速增加而壓力面流速降低,兩側(cè)壓差明顯增大。綜上,SBCJ翼型通過對(duì)吸力面低動(dòng)量流體的移除及改變翼型尾緣庫(kù)塔條件,可顯著增加翼型兩側(cè)壓差,最終提升翼型氣動(dòng)性能。
圖7 不同射流動(dòng)量系數(shù)下翼型表面壓力系數(shù)Fig.7 Jet momentum coefficient vs.airfoil surface pressure coefficient
改變吹氣孔距尾緣距離Lb,研究吹氣孔位置對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響,其中Lb分別為0、0.1c、0.2c和0.3c,吸氣孔距前緣0.25c,射流動(dòng)量系數(shù)保持為0.010。不同吹氣孔位置下翼型氣動(dòng)特性如圖8所示。由圖8可知,不同吹氣孔位置均使翼型升力系數(shù)顯著增大,Lb為0時(shí),升力系數(shù)增幅最大,隨著吹氣孔遠(yuǎn)離尾緣,升力系數(shù)增幅減小。攻角大于10°時(shí),不同吹氣孔位置均可減小翼型阻力,攻角小于10°時(shí),翼型阻力增大,且隨Lb增大,修正阻力系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)。0~24°攻角范圍內(nèi),翼型最大修正升阻比在吹氣孔距尾緣0.2c時(shí)可達(dá)88.93,較原始翼型(Kc,max=50.37)提升76.55%。
(a)升力系數(shù)CL
為分析不同吹氣孔位置的流動(dòng)控制機(jī)理,對(duì)吹氣孔附近相對(duì)流線渦量圖及翼型表面壓力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比,如圖9和圖10所示,其中翼型攻角為18°,x代表距翼型前緣點(diǎn)弦線方向的距離。由圖9和圖10可知,較原始翼型,吹氣令上游流體減速,翼面兩側(cè)壓差增大,隨吹氣孔遠(yuǎn)離尾緣,壓差增幅降低。Lb=0.1c~0.3c時(shí),孔口與尾緣間形成穩(wěn)定漩渦,其范圍隨Lb增大而增加,該渦使翼型下表面壓力大幅降低,翼型表面壓差幾乎為0 Pa,不利于翼型增升減阻,導(dǎo)致升力系數(shù)減小??紤]射流能耗,Lb=0.2c時(shí)泵送流體所克服壓比最小,修正阻力系數(shù)顯著減小,翼型升阻比達(dá)到最大,故吹氣孔應(yīng)位于距尾緣0.2c附近。
(a)原始翼型
圖10 不同吹氣孔位置翼型表面壓力系數(shù)Fig.10 Blowing location vs.airfoil surface pressure coefficient
基于上述研究,進(jìn)一步分析不同吸氣孔距前緣距離Ls的作用效果。其中,Ls分別為0.05c、0.15c、0.25c、0.35c和0.45c,此時(shí)吹氣孔距尾緣距離Lb為0.2c,射流動(dòng)量系數(shù)保持為0.010。不同吸氣孔位置下翼型氣動(dòng)特性如圖11所示。由圖11可知,攻角小于10°時(shí),隨吸氣位置遠(yuǎn)離前緣,翼型升力系數(shù)提升幾乎相同,修正阻力系數(shù)先減小后增大,Ls為0.15c時(shí)達(dá)到最小。攻角大于10°時(shí),升力系數(shù)隨Ls增大而增大,Ls為0.15c時(shí)翼型阻力系數(shù)仍保持最低。故0~24°攻角范圍內(nèi),Ls為0.05c時(shí),翼型修正升阻比僅在部分區(qū)間小幅增大,而其余位置均顯著增大。Ls為0.15c、0.25c、0.35c和0.45c時(shí),翼型最大修正升阻比分別為105.37、88.93、79.89和76.99,較原始翼型(Kc,max=50.37)分別提升109.19%、76.55%、58.61%和52.85%。
(a)升力系數(shù)CL
為分析不同吸氣孔位置處的流動(dòng)控制機(jī)理,對(duì)原始翼型、Ls=0.15c和Ls=0.45c時(shí)翼型渦量及相對(duì)流線圖進(jìn)行對(duì)比,如圖12所示。由圖12可知,攻角為12°時(shí),原始翼型在尾緣產(chǎn)生輕微渦脫落,此時(shí)吸氣孔位置改變均可使前緣流線緊附于翼面,抑制尾渦產(chǎn)生,減少渦脫落損失。攻角為24°時(shí),翼面存在大范圍流動(dòng)分離區(qū),強(qiáng)渦周期性地從吸力面前緣脫落,導(dǎo)致翼型氣動(dòng)性能降低。0.15c處吸氣孔靠近分離點(diǎn),可有效移除邊界層內(nèi)低速流體,避免前緣渦的產(chǎn)生與發(fā)展,增強(qiáng)流體抗逆壓梯度能力,僅在尾緣形成小范圍渦脫落,顯著削弱強(qiáng)渦周期性脫落造成的升阻力波動(dòng)。隨著吸氣孔遠(yuǎn)離前緣至0.45c,吸氣孔位于分離區(qū)內(nèi),移除低動(dòng)量流體的能力不足,翼面仍存在較強(qiáng)烈渦脫落,加之泵送流體能耗,導(dǎo)致翼型修正阻力系數(shù)急劇增大,修正升阻比也大幅減小,故吸氣孔應(yīng)位于0.15c附近。
(a)α=12°
泵消耗的功率與風(fēng)力機(jī)獲得的收益兩者之間的關(guān)系較為重要,故以下給出本文中較優(yōu)工況,即射流動(dòng)量系數(shù)為0.01、吸氣孔距前緣0.15c、吹氣孔距尾緣0.2c時(shí),不同攻角下射流功耗與風(fēng)力機(jī)翼型升阻比增益Δk變化規(guī)律,如圖13所示,其中升阻比增益為施加射流后修正升阻比(已考慮射流功耗)與原始翼型升阻比之差。
圖13 不同攻角下射流功耗與翼型升阻比增益變化規(guī)律Fig.13 Attack angle vs.jet power and lift-drag ratio gain of airfoil
由圖13可知,在所研究攻角范圍內(nèi),考慮射流功耗后翼型升阻比均提升。攻角小于15°時(shí),射流功耗呈線性增長(zhǎng),翼型升阻比增益也逐漸增大,15°攻角時(shí),射流功耗與升阻比增益均達(dá)到峰值,隨攻角進(jìn)一步增大,翼面分離區(qū)擴(kuò)大,吸氣孔位于分離區(qū)內(nèi),移除低動(dòng)量流體的能力降低,泵送流體能耗變化較小,升阻比增益逐漸降低。
(1)SBCJ翼型通過對(duì)吸力面低動(dòng)量流體的移除及改變翼型尾緣庫(kù)塔條件,可顯著增大翼型表面兩側(cè)壓差,最終提升翼型氣動(dòng)性能。SBCJ翼型在射流動(dòng)量系數(shù)較小時(shí)即具有升力系數(shù)增大、修正阻力系數(shù)減小及流動(dòng)分離緩解的氣動(dòng)特性。
(2)吹氣可使上游流體減速,翼型表面兩側(cè)壓差增大,隨吹氣孔遠(yuǎn)離尾緣,壓差增幅降低。Lb=0.2c時(shí)泵送流體所需克服的壓比最小,修正阻力系數(shù)顯著減小,翼型最大升阻比達(dá)到峰值,故吹氣孔應(yīng)位于距尾緣0.2c附近。吸氣孔靠近分離點(diǎn)可有效移除邊界層內(nèi)低速流體,從而抑制小攻角尾緣渦產(chǎn)生及大攻角前緣渦的形成與發(fā)展,增強(qiáng)流體抗逆壓梯度能力。
(3)Cμ=0.01、Ls=0.15c、Lb=0.2c和10°攻角時(shí),翼型修正升阻比較原始翼型最高可提升109.19%。