胡　昊， 李新凱

(1.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，河南 鄭州450045；

2.華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

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渦發(fā)生器對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型繞流場(chǎng)的影響研究

胡昊1,2， 李新凱2

(1.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，河南 鄭州450045；

2.華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

摘要：為了研究渦發(fā)生器對(duì)風(fēng)力機(jī)專用翼型氣動(dòng)性能的影響，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)帶渦發(fā)生器風(fēng)力機(jī)的翼型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.首先對(duì)具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的帶渦發(fā)生器翼型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性；然后采用該計(jì)算設(shè)置對(duì)所要研究的風(fēng)力機(jī)翼型在多個(gè)攻角下的情況進(jìn)行了計(jì)算.結(jié)果表明：在小攻角下當(dāng)翼型未發(fā)生流動(dòng)分離時(shí)，渦發(fā)生器可能使翼型升阻比降低；當(dāng)攻角增大，翼型發(fā)生流動(dòng)分離時(shí)，渦發(fā)生器可以有效推遲流動(dòng)分離，增大失速攻角，提高升阻比.

關(guān)鍵詞：渦發(fā)生器；風(fēng)力機(jī)；翼型；繞流場(chǎng)

隨著人類對(duì)清潔能源的迫切需求，風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電[1]及光伏發(fā)電[2]正逐步成為新能源中的主要組成部分.隨著風(fēng)力機(jī)的大型化發(fā)展，葉片長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)，為滿足強(qiáng)度要求，葉片根部往往采用大厚度翼型，由于葉根扭角的限制，其翼型的實(shí)際工作攻角偏大.在運(yùn)行工況下，風(fēng)力機(jī)葉片根部會(huì)發(fā)生較大的流動(dòng)分離，若葉片發(fā)生流動(dòng)分離將嚴(yán)重影響風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪對(duì)風(fēng)能的捕獲功率.所以抑制葉根處流動(dòng)分離是提高風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)功率的有效手段.

渦發(fā)生器(Vortex Generators，VGs)屬于被動(dòng)流動(dòng)控制，能有效抑制邊界層的流動(dòng)分離[3-5].渦發(fā)生器通過產(chǎn)生近似的流向渦將邊界層外的高能流體卷入邊界層底層從而達(dá)到抑制邊界層分離的目的，是流動(dòng)控制中的研究熱點(diǎn)[6-10].Bons等[6-7]于1999—2001年研究了在渦輪葉片表面應(yīng)用小孔穩(wěn)態(tài)射流和脈沖射流進(jìn)行流動(dòng)控制，研究結(jié)果表明，流動(dòng)控制能夠有效地控制葉片表面邊界層的分離流動(dòng).國(guó)內(nèi)清華大學(xué)金琰和袁新[11]通過數(shù)值模擬的方法研究了在翼型背部加入射流從而達(dá)到減小翼型顫振的目的.

目前，研究VGs對(duì)風(fēng)力機(jī)專用翼型繞流場(chǎng)影響的成果還較少.因此，研究渦發(fā)生器對(duì)翼型繞流特性的影響，為改進(jìn)風(fēng)力機(jī)的流動(dòng)控制提供依據(jù)，此研究具有重要的實(shí)際意義.文中采用數(shù)值模擬的方法，研究了三角形渦發(fā)生器對(duì)風(fēng)力機(jī)專用翼型氣動(dòng)特性的影響.

1模擬計(jì)算

1.1　幾何模型

文中的翼型為風(fēng)力機(jī)專用翼型，相對(duì)厚度21%，計(jì)算模型弦長(zhǎng)0.6 m，展長(zhǎng)0.25c(c為模型弦長(zhǎng)，m)，如圖1所示.計(jì)算驗(yàn)證模型的相對(duì)厚度30%，計(jì)算模型弦長(zhǎng)0.6 m，展長(zhǎng)0.25c，如圖2所示.渦發(fā)生器幾何參數(shù)及排列方式如圖3所示，展向布置4對(duì)VGs，安裝于距前緣0.2c處.

圖1　計(jì)算模型

圖2　計(jì)算驗(yàn)證模型

圖3　VGs幾何參數(shù)(單位:mm)

1.2　計(jì)算方法

采用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.用壓力求解器求解，算法為SIMPLE.湍流模型為全湍流SST模型.

計(jì)算域：由于VGs的排列方式在展向上具有周期性，翼型段兩側(cè)對(duì)稱，展向計(jì)算域尺度為翼型段長(zhǎng)度.在翼型段前后和上下分別延伸了20c，30c，20c，20c.

計(jì)算網(wǎng)格：采用商業(yè)軟件ICEM進(jìn)行全域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)220萬.在渦發(fā)生器周圍進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，結(jié)果如圖4所示，其中h為VGs高度.

圖4　邊界條件及網(wǎng)格分布

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1　計(jì)算驗(yàn)證模型

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性，首先對(duì)荷蘭Delf大學(xué)風(fēng)能研究中心完成的DU97-W-300翼型和三角翼VGs試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行CFD模擬.來流風(fēng)速為48.7 m/s，基于弦長(zhǎng)的雷諾數(shù)為2×106.圖5給出了數(shù)值計(jì)算的升力系數(shù)與試驗(yàn)值.為了觀察VGs的作用，圖中還給出了光滑翼型升力系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果.

圖5　驗(yàn)證模型的模擬計(jì)算結(jié)果

從圖5中可以看出：無論是否有VGs，在所研究的攻角范圍內(nèi)，數(shù)值計(jì)算得到的升力系數(shù)均與試驗(yàn)值吻合較好，表明所采用的計(jì)算方法滿足本研究的精度要求；裝有VGs的翼型推遲了流動(dòng)分離，使失速攻角增大，在10°～15°攻角范圍內(nèi)翼型的升力得到了大幅提高.

2.2　計(jì)算結(jié)果分析

采用上述所用的數(shù)值方法對(duì)相對(duì)厚度21%的風(fēng)力機(jī)專用翼型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.

2.2.1有、無VGs翼型的升、阻力系數(shù)情況

圖6為該翼型有、無VGs控制時(shí)翼型的升、阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果.

圖6　不同攻角下翼型的升、阻力系數(shù)及升阻比

從圖6中可以看出：安裝VGs的翼型，其失速攻角增加了7°左右；當(dāng)攻角α=0°和5°時(shí)，帶VGs翼型的升力系數(shù)變化不大，阻力系數(shù)增加較多，升阻比下降；當(dāng)α=10°時(shí)，雖然升力系數(shù)有所增加，但阻力系數(shù)也增加了，升阻比下降；當(dāng)α=15°和17°時(shí)，升力增加，阻力減小，升阻比增加較為明顯；當(dāng)α=19°時(shí)，有、無VGs情況下阻力系數(shù)相差不多，升阻比增加.

2.2.2有、無VGs翼型的壓力系數(shù)情況

取圖7所示的翼型中間位置為研究對(duì)象，研究壓力系數(shù)的變化.圖8為翼型中間截面處的壓力系數(shù)分布曲線.從圖8中可以看出：在α=15°和17°兩個(gè)攻角下，發(fā)生了較大的流動(dòng)分離，在翼型吸力面出現(xiàn)了較大的壓力平臺(tái)，而帶VGs翼型吸力面壓力恢復(fù)較好，壓力平臺(tái)變小，推遲了流動(dòng)分離；在α=19°攻角下，有、無VGs翼型時(shí)的壓力系數(shù)均出現(xiàn)了較大的流動(dòng)分離.

圖7　翼型中間位置示意

圖8　在不同攻角下翼型的中間截面壓力系數(shù)

2.2.3旋渦的判別和變化規(guī)律

渦量定義為，流場(chǎng)中任何一點(diǎn)微團(tuán)角速度的2倍.所以在壁面上由于流體速度的應(yīng)變率很大，造成靠近壁面附近的渦量值很大，很明顯，這不是要研究的旋渦產(chǎn)生的渦量值.而旋渦的強(qiáng)度(渦通量)則是指渦量在一個(gè)截面上的積分.在一平面中，渦通量為

由于VGs處于壁面上，旋渦向下游發(fā)展時(shí)隨著渦核半徑的不斷增大，靠近壁面的側(cè)旋渦的發(fā)展會(huì)受到抑制，2個(gè)旋渦之間也會(huì)有干涉，旋渦的渦核形狀不規(guī)則，造成渦核包圍的面積A不容易獲得.為此需要給出一個(gè)客觀分辨渦旋的判據(jù).這樣的判據(jù)在伽利略變換中是不變的，它不依賴于坐標(biāo)的選擇和旋轉(zhuǎn)等變換，能分辨出渦軸的位置和方向等.目前在文獻(xiàn)中普遍采用的是Q判據(jù)，

(1)

式中eij，Ωij分別為應(yīng)變速率張量和渦量張量.文中采用Q判據(jù)來顯示旋渦結(jié)構(gòu).

圖9為帶VGs翼型在不同攻角下和不同翼型弦向位置處的渦量等值云圖；圖10為帶VGs翼型在不同攻角下的Q等值云圖.從圖9和圖10中可以看出旋渦沿流向的變化規(guī)律，在15°，17°，19°攻角下，旋渦耗散得較快.

圖9　不同攻角α下的渦量云圖

圖10　不同攻角α下的Q等值面圖

Hunt等提出把Q>0的區(qū)域定義成渦，類似于渦通量，將Q在一個(gè)截面上的積分定義為Q通量來表示旋渦強(qiáng)度.在平面中，對(duì)于Q通量，有

這樣就可以避免在壁面附近出現(xiàn)渦量很大的問題.

以VGs中某一個(gè)小翼產(chǎn)生的旋渦為研究對(duì)象，在VGs下游不同弦向位置處將Q值在其所包圍的面積上進(jìn)行積分得到Q通量，如圖11所示.從圖11中可以看出，旋渦距前緣0.5c位置處的旋渦強(qiáng)度已經(jīng)很低，總體上旋渦強(qiáng)度基本呈指數(shù)規(guī)律耗散.

圖11　Q通量隨流向距離C的變化規(guī)律

3結(jié)語

通過對(duì)射流式渦發(fā)生器進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下主要結(jié)論.

1)從有、無渦發(fā)生器控制下翼型的升、阻力系數(shù)來看，當(dāng)翼型未發(fā)生流動(dòng)分離時(shí)，VGs可能使翼型的升阻比降低.當(dāng)翼型發(fā)生較小的流動(dòng)分離時(shí)，VGs可以有效推遲流動(dòng)分離，增大失速攻角，提高升阻比.

2)根據(jù)渦通量公式，定義了Q通量來判別集中渦的強(qiáng)度.對(duì)比不同攻角下渦通量隨流向的耗散可以發(fā)現(xiàn)，總體上旋渦強(qiáng)度與流向距離的變化趨勢(shì)基本呈指數(shù)規(guī)律耗散.

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(責(zé)任編輯: 杜明俠)

Effect of Vortex Generators on the Flow Fields around the Airfoil of Wind Turbine

HU Hao1,2， LI Xinkai2

(1.School of Electric Power, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;

2.Key Laboratory of CMCPPE of Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Abstract:In order to study the influences of vortex generators on the aerodynamic performances of the airfoil of wind turbine, the numerical simulation method was adopted to calculate the airfoil of wind turbine with vortex generators. Firstly, the airfoil with vortex generators with experimental data was simulated and calculated, the computing method was feasible by testing. Then adopting the computing sets, the airfoil of wind turbine was calculated under multiple attack angles. The computing results show that vortex generators make the lift-drag ratio of airfoil decrease when the airfoil does not occur flow separation under little attack angles, and when the airfoil occurs flow separation under big attack angles, the vortex generators can effectively delay the flow separation, increase the stall angles and the lift-drag ratio.

Keywords:vortex generators；wind turbine；airfoil；flow field

中圖分類號(hào)：TK83

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5634(2015)02-0058-05

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.013

作者簡(jiǎn)介：胡昊(1979—),男，河南南陽人，講師，博士研究生，主要從事風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)分析及流體機(jī)械方面的研究.李新凱(1984—),男，河北保定人，講師，博士研究生，主要從事風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)分析及流動(dòng)控制方面的研究.

基金項(xiàng)目:河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(142102210059).

收稿日期:2014-11-19