宋 科，李 棟

(翼型、葉柵空氣動力學國防科技重點實驗室，西北工業(yè)大學，西安 710072)

0 引言

關于鈍后緣翼型的早期研究發(fā)現(xiàn)，其底部附近存在定?；蛑芷谛缘蛪毫鲃?，帶來相當大的底部阻力，所以亞聲速翼型設計通常會避免鈍后緣的出現(xiàn)［1］。然而近年來，在國外的風電新能源領域中，大厚度鈍后緣翼型［2－3］被用于風力發(fā)電機葉片。此類翼型相對厚度通常在25%～40%之間，后緣底部相對厚度非常大，通常在10%以上，有的甚至超過20%。它們具有以下特點:

1)結構效率高(結構容積大，容易加工制造);

2)升力特性好(最大升力高，失速迎角大);

3)對表面污染不敏感

其中關于第三點，現(xiàn)有的研究表明［4－5］，通過加厚后緣，將最大相對厚度與后緣相對厚度之差限制在25%以內，有助于降低升力特性對轉捩的敏感度。這樣風機在運轉過程中即使受到灰塵、鳥糞、雨水的沾染，轉捩位置和氣動特性也不會出現(xiàn)劇烈變化。

氣動與結構特性方面的優(yōu)點使鈍后緣翼型非常適合用于大型、超大型風力機葉片。然而鈍后緣翼型存在底阻大這一固有缺點，過高的阻力對扭矩和功率輸出均有不可忽視的負面影響，探索一種簡單實用的鈍后緣翼型減阻方法對高性能風機翼型與葉片設計有重要意義。

1 后緣減阻裝置

產(chǎn)生底部阻力的主要機理是:流動在底部臺階轉角處加速，使壓力下降并生成低壓旋渦結構，從而產(chǎn)生較大壓力差。最近幾年國外文獻提出［6－7］，在鈍后緣風機翼型或葉片后緣安裝隔板、鋸齒板、空腔等裝置，可以削弱后緣的低壓旋渦結構，從而實現(xiàn)減小底部阻力的目的。其中隔板是結構最簡單的一種裝置，為貫通展向的平板(見圖1)，其作用是在后緣分隔翼型上下表面的剪切層，抑制低壓旋渦的生成，起到減小底阻的作用。

圖1 后緣隔板Fig.1 The splitter at trailing edge

2 計算模型

本文研究了FB系列新概念風機翼型［5］中的兩個翼型FB-4000-1000與 FBv4000v2000(圖2)，最大相對厚度同為40%，后緣厚度分別為10%與20%。該系列翼型主要通過對尖銳后緣基準翼型的后部修形而得到。

本文對比了三種減阻隔板(圖3)，分別位于后緣臺階中部、上部與下部，記為“mid”、“up”、“down”。隔板長度等于后緣厚度(本文第4節(jié)會解釋其原因)，對FB-4000-1000翼型，長度為10%翼型弦長;而對FB-4000-2000翼型，長度為20%翼型弦長。

圖3 三種隔板布局Fig.3 Three types of splitters

3 數(shù)值方法與計算網(wǎng)格

本文求解非定常RANS方程，數(shù)值模擬了翼型的粘性繞流。數(shù)值方法采用成熟可靠的技術:有限體積離散，二階精度ROE-FDS格式，雙時間推進，LU-SGS子迭代，S-A湍流模型。計算網(wǎng)格采用O型，無隔板網(wǎng)格為401×113，有隔板網(wǎng)格為569×113。附面層第一層網(wǎng)格平均高度約為弦長的0.7×10－5倍，在基于弦長雷諾數(shù)為1×106的情況下，y+≤1。圖4為FB-4000-1000翼型無隔板情況與帶有中部隔板時的后緣附近網(wǎng)格對比示意圖。

圖4 后緣處計算網(wǎng)格Fig.4 The grid at trailing edge

4 計算與分析

FB-4000-1000與FB-4000-2000翼型的計算狀態(tài)同為 Re=1 ×106(基于弦長)，Ma=0.1405，翼型上下表面固定轉捩位置均為5%弦長。首先計算了翼型未安裝隔板時的升阻特性，考慮到鈍后緣附近因旋渦脫落而出現(xiàn)周期性流動，本文所有算例均采用非定常計算，力系數(shù)為平均值。計算結果與文獻［5］中的兩組計算數(shù)據(jù)符合良好(圖5，其中MSES與ARC2D為參考文獻計算值)，驗證了本文所使用數(shù)值方法的適用性。

圖5 FB-4000-1000翼型力系數(shù)(無隔板)Fig.5 Force coefficient of FB-4000-1000 airfoil without splitter

后緣減阻隔板安裝在臺階中部的情況，已有文獻進行了研究，而安裝在上部與下部的情況暫未發(fā)現(xiàn)相關報導。為了便于對比，本文研究以中部隔板為重點，其數(shù)值計算結果(圖6、圖7)說明，后緣臺階中部安裝隔板對兩個翼型的影響規(guī)律基本一致，并且與文獻［6］等的結論相符合:

1)線性段(迎角 －2.5°～5°)升力小幅度下降;

2)失速迎角稍有減小;

3)非線性段(迎角5°～15°)升力與最大升力減小;

4)極曲線低阻區(qū)的等升力對應阻力明顯降低。

圖6 FB-4000-1000翼型力系數(shù)(三類隔板)Fig.6 Force coefficient of FB-4000-1000 airfoil with three types of splitter

圖7 FB-4000-2000翼型力系數(shù)(中部隔板)Fig.7 Force coefficient of FB-4000-2000 airfoil with“mid”splitter

圖8 FB-4000-1000翼型壓力系數(shù)，迎角5°Fig.8 Cpof FB-4000-1000 airfoil，attack angle 5°

圖9 FB-4000-1000翼型壓力系數(shù)等值線，迎角5°Fig.9 Cpcontour of FB-4000-1000 airfoil，attack angle 5°

圖10 FB-4000-2000翼型壓力系數(shù)等值線，迎角5°Fig.10 Cpcontour of FB-4000-2000 airfoil，attack angle 5°

圖11 阻力系數(shù)脈動曲線，迎角5°Fig.11 The periodic CD，attack angle 5°

關于隔板安裝位置的影響，本文進行了對比分析。對于FB-4000-1000翼型(圖6)，上下兩種隔板都在升力線性段有減阻作用，但效果弱于中部隔板。上部隔板使升力線整體向下移動，升力損失嚴重，不是合理可行的減阻方式。下部隔板使線性段升力略有提高，而非線性段升力基本不變。表1顯示了各迎角對應的減阻百分比，中部隔板的效果最好，在中小迎角范圍內減阻29%～36%，平均約35%;大迎角時平均也超過20%。

以上研究中，隔板長度選取為等于后緣厚度，是由于以下原因:(1)隔板等后緣減阻裝置通過改變后緣臺階處的旋渦流動，減小負壓值，從而實現(xiàn)減阻。后緣的大尺度旋渦流動，受制于幾何外形邊界條件，其特征長度與后緣厚度相當。本文認為如果要對后緣大尺度流動產(chǎn)生顯著影響，隔板長度應達到此特征長度，即后緣厚度。隔板長度太小則不足以產(chǎn)生足夠影響作用。例如FB-4000-1000翼型中部隔板布局，通過數(shù)值計算(圖12)驗證了隔板長度等于50%后緣厚度時，其減阻效果較差。

(2)后緣隔板需要通過收放機構實現(xiàn)打開與閉合，如圖13，上部隔板緊貼翼型后緣端面，以鉸鏈A為轉軸打開;而中部隔板由兩段折疊而成，每段長度均等于后緣厚度的一半，先以鉸鏈A為轉軸打開90°，再將外段隔板以B為轉軸打開180°。對于中部隔板的情況，如果長度超過后緣厚度，隔板就需要3段以上折疊結構，如果長度超過2倍后緣厚度，則上部與下部隔板也將不得不采用3段結構，結構重量增加，結構剛性難以保證。

綜合氣動與結構兩方面因素，本文認為隔板長度益取為等于后緣厚度。

圖12 FB-4000-1000翼型力系數(shù)(不同長度的中部隔板)Fig.12 Force coefficient of FB-4000-1000 airfoil with“mid”splitter of different length

圖13 隔板收放機構示意圖Fig.13 Opening/closing device of splitters

5 總結

后緣隔板三種布局中，上部隔板布局因升力損失嚴重而使綜合氣動性能惡化;下部隔板布局雖然減阻效果稍弱，但因其升力幾乎沒有損失而具有一定實用價值;中部隔板布局以一定程度升力損失為代價減阻20%以上，特別是中小迎角線性段升力損失較少，如果只考慮此迎角范圍，減阻效果相當顯著，平均約35%。綜合分析可知，中部與下部隔板是具有發(fā)展?jié)摿Φ膬蓚€減阻方案，兩者的對比也給出一種提示:隔板安裝在后緣臺階中部偏下的位置，有可能獲得更好的綜合減阻效果。今后將嘗試通過數(shù)值優(yōu)化方法找出給定工況下最優(yōu)的減阻隔板安裝位置，并進一步探索其他形式后緣減阻裝置。

［1］NASH J.A review of research on two-dimensional base flow［J］.Aeronautical Research Council，1963，3323.

［2］TPI Composites.Innovative design approaches for large wind turbine blades［R］.SANDIA Report 2003-0723.

［3］TPI Composites.Innovative design approaches for large wind turbine blades final report［R］.SANDIA Report 2004-0074.

［4］STANDISH K J，VAN DAM C P.Aerodynamic analysis of blunt trailing edge airfoils［J］.Journal of Solar Energy Engineering，2003，125:479-487.

［5］VAN DAM C P，MAYDA E A，CHAO D D，BERG D E.Computational design and analysis of flatback airfoil wind tunnel experiment［R］.SANDIA Report 2008-1782.

［6］JONATHON P B ，VAN DAM C P.Drag reduction of blunt trailing-edge airfoils［A］.International Colloquium on:Bluff Bodies Aerodynamics ＆ Applications［C］.Italy，July，2008.

［7］VAN DAM C P，KAHN D L，BERG D E.Trailing edge modifications for flatback airfoils［R］.SANDIA Report 2008-1781.