渦流發(fā)生器安裝角對風(fēng)力機(jī)翼型氣動特性的影響

趙銀輝，劉婷婷，張小兵，張雪梅

(1.中國葛洲壩集團(tuán)電力有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000；2.國家電力投資集團(tuán)北京電力有限公司，北京 102300；3.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司嘉峪關(guān)車輛段，甘肅 嘉峪關(guān) 735103)

1 引言

隨著能源消耗量的不斷增長，風(fēng)能作為最具潛力的能源形式之一，越來越受到關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能利用的主要形式，可極大減少碳排放，是助力碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要途徑。葉片是風(fēng)力機(jī)吸收和轉(zhuǎn)化風(fēng)能的重要部件，其截面翼型氣動特性的分析是研究風(fēng)力機(jī)葉片和風(fēng)輪氣動性能的基礎(chǔ)。趙安安等[1]研究了數(shù)值計算方法中，翼型近壁面網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果的影響，研究表明，翼型近壁面網(wǎng)格縱橫比對數(shù)值計算結(jié)果有較大影響。付云豪等[2]研究了翼型下表面射流參數(shù)對其氣動性能的影響，研究表明，改變射流參數(shù)可以改變低攻角下翼型的氣動性能。趙振宙等[3]采用數(shù)值方法研究發(fā)現(xiàn)，渦流發(fā)生器(Vortex Generators,VGs)可以有效抑制翼型的動態(tài)失速。文獻(xiàn)[4,5]分析了不同形狀的渦流發(fā)生器對風(fēng)力機(jī)翼段動態(tài)失速的影響，結(jié)果表明，前高度更大的渦流發(fā)生器可有效提升翼型的氣動性能。文獻(xiàn)[6～12]研究了渦流發(fā)生器對不同物體流動特征的影響。以上研究表明，在翼型表面合理安裝渦流發(fā)生器可以抑制流動分離。

本文以風(fēng)力機(jī)三維翼型段為研究對象，采用數(shù)值計算方法，在特定攻角下研究了渦流發(fā)生器的安裝角對翼型氣動特性的影響，分析了渦流發(fā)生器的安裝角對翼型表面壓力、升阻力特性和流場結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。研究有助于渦流發(fā)生器的設(shè)計和安裝，進(jìn)而為提高風(fēng)力機(jī)翼型的氣動特性提供參考。

2 計算模型

以風(fēng)力機(jī)專用的DU91-W2-250翼型段為研究對象，其弦長為0.6 m，展長為0.035 m，三維翼段的外形和吸力面渦流發(fā)生器的安裝方式如圖1所示。

圖1 翼型段外形和渦流發(fā)生器安裝示意

3 計算域及網(wǎng)格劃分

如圖2所示，建立矩形的計算區(qū)域，其長度為5 m，寬度為1 m，高度為4 m，翼型氣動中心距入口的距離為1.2 m，三維翼段的攻角為18°。

圖2 計算域示意

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的全局最大尺寸為25 mm，為了提高數(shù)值計算的準(zhǔn)確性，對翼型周圍和渦流發(fā)生器周圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理[13]，翼型周圍網(wǎng)格的最大尺寸為1 mm，渦流發(fā)生器周圍網(wǎng)格的最大尺寸為0.1 mm，整個計算域的網(wǎng)格總數(shù)約為280萬個。圖3為渦流發(fā)生器周圍網(wǎng)格分布示意圖。

圖3 渦流發(fā)生器周圍網(wǎng)格示意

4 數(shù)值計算方法及邊界條件

求解的雷諾時均的N-S方程和連續(xù)性方程為：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：t表示時間；ρ表示空氣密度；p表示表面壓力；v表示速度矢量；τ表示表面應(yīng)力矢量；f表示單位質(zhì)量體積力矢量。

數(shù)值計算中，選用k-ωSST湍流模型封閉方程，所有方程采用二階迎風(fēng)格式離散；速度和壓力的耦合采用SIMPLEC算法；計算域入口為速度入口條件，大小為9 m/s，出口為壓力出口，靜壓設(shè)置為0 Pa。

5 結(jié)果分析

為分析渦流發(fā)生器的安裝角對翼型氣動特性的影響規(guī)律，分別選取渦流發(fā)生器安裝角β為5°、9°、12°、15°、18°和21°的翼型段為研究對象，通過與清潔翼段對比，分析安裝角變化對翼型表面壓力和升阻力特性的影響。

翼型上、下翼面的表面壓力差是葉片轉(zhuǎn)矩的來源[14,15]。圖4為不同安裝角下翼型表面壓力與清潔翼型表面壓力對比的結(jié)果。由圖可知，吸力面安裝渦流發(fā)生器后，與清潔翼段相比，安裝位置處的翼型表面壓差增大。分析具體的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)安裝角從5°增加到15°時，渦流發(fā)生器安裝位置處的負(fù)壓增大，即翼型表面壓差增大，但隨著安裝角的繼續(xù)增大，渦流發(fā)生器安裝位置處的負(fù)壓出現(xiàn)減小的趨勢，即翼型表面壓差減小。

圖4 不同安裝角下翼型的表面壓力分布

翼型表面安裝渦流發(fā)生器后翼型表面壓差會增大，導(dǎo)致翼型的升阻力特性發(fā)生變化。表1為不同安裝角下翼型的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比的分布，分析數(shù)據(jù)可知，與清潔翼段相比，吸力面安裝渦流發(fā)生器后翼段的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比均增大。隨著渦流發(fā)生器安裝角的增大，阻力系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，升力系數(shù)和升阻比均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)渦流發(fā)生器的安裝角從5°增加到21°時，翼段的阻力系數(shù)增大了2.3%。當(dāng)渦流發(fā)生器的安裝角從5°增加到15°時，翼段的升力系數(shù)增大了5.29倍，升阻比增大了5.27倍。當(dāng)渦流發(fā)生器的安裝角從15°增加到21°時，翼段的升力系數(shù)和升阻比均減小了84.5%。因此，渦流發(fā)生器安裝角為15°時，翼段獲得良好的氣動性能，與清潔翼段相比，升阻比增大了14倍。為了分析安裝渦流發(fā)生器后翼段的流場特性，圖5 比較了清潔翼段和渦流發(fā)生器安裝角為15°翼段弦向截面內(nèi)的速度分布云圖，由圖可知，與清潔翼段相比，渦流發(fā)生器安裝角為15°的翼段邊界層分離點(diǎn)的位置向尾緣方向移動，有效抑制了流動分離的發(fā)生。

表1 不同安裝下翼型的升阻力特性

圖5 速度分布云圖

6 結(jié)論

本文以風(fēng)力機(jī)專用的DU91-W2-250翼型段為研究對象，分析了渦流發(fā)生器的安裝角對翼型表面壓力、升阻力特性和流場結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，研究得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)渦流發(fā)生器的安裝角從5°增大到21°時，渦流發(fā)生器安裝位置處的負(fù)壓呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，導(dǎo)致翼段的表面壓差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

(2)渦流發(fā)生器會改變流動發(fā)生分離的位置，與清潔翼段相比，渦流發(fā)生器的安裝角為15°時，分離位置向尾緣移動，翼型的升阻比增大了14倍。