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        降雨對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能的影響

        2022-01-15 03:25:54陳春霖王林柱楊元娟
        關(guān)鍵詞:液膜攻角吸力

        文 洮,陳春霖,王林柱,楊元娟

        降雨對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能的影響

        文 洮,陳春霖,王林柱,楊元娟

        (甘肅省計(jì)算中心,甘肅 蘭州 730030)

        以NACA0012翼型為研究對(duì)象,采用拉格朗日離散相模型,研究在不同濃度雨滴下翼型氣動(dòng)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):在降雨環(huán)境下,翼型表面會(huì)形成一定厚度的液膜,液膜的形成影響翼型表面的光潔度,引起邊界層的提前轉(zhuǎn)捩,造成翼型升力減小,阻力增大;翼型表面液膜隨著計(jì)算時(shí)間的推移,翼型的壓力面,主要是由于雨滴直接與翼型壁面發(fā)生碰撞而形成;翼型的吸力面,主要是由翼型前緣形成液膜后,再逐漸向尾緣流動(dòng)而形成;當(dāng)雨滴的濃度增大時(shí),翼型表面形成液膜高度的波動(dòng)更大,對(duì)于其升阻力的影響也將增大。

        風(fēng)力機(jī);液膜高度;雨滴直徑;氣動(dòng)性能;質(zhì)量濃度

        當(dāng)風(fēng)力機(jī)在降雨環(huán)境下運(yùn)行時(shí),翼型表面的多相流環(huán)境是十分復(fù)雜的。當(dāng)雨滴與葉片表面接觸碰撞時(shí),一些較大的液滴將會(huì)發(fā)生破裂濺射出很多小液滴,這些小液滴與翼型邊界層相互作用,就會(huì)造成氣動(dòng)性能的損失;而形成的有些小液滴將會(huì)附著于葉片表面形成水膜層,而形成之后雨滴的撞擊就會(huì)在液膜表面形成凹坑和波紋,這將會(huì)嚴(yán)重影響翼型表面的光潔度,進(jìn)而影響其氣動(dòng)性能。故研究降雨對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)性能的影響具有重要意義[1]。

        近年來,為了更加清楚地了解翼型在降雨環(huán)境下對(duì)于氣動(dòng)性能的影響,研究者開始更加關(guān)注對(duì)降雨環(huán)境下翼型氣動(dòng)性能變化的機(jī)理性研究。Hsu[2]建立了降雨模型,研究了在降雨環(huán)境下翼型氣動(dòng)性能損失的主要影響原因,研究表明,雨滴在接觸翼型前緣位置時(shí),造成其升力明顯減小,阻力明顯增加。Valentine等[3]利用CFD模擬了在降雨環(huán)境下NACA 64-210翼型氣動(dòng)性能的影響,雨滴的濺射,液滴相之間相互的碰撞與聚合,都會(huì)造成翼型氣動(dòng)性能的損失。ALAN等[4]、Yeom G S等[5]在強(qiáng)降雨環(huán)境中的翼型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),翼型在降雨環(huán)境下會(huì)造成嚴(yán)重的性能損失。Hansman等[6-7]研究了在降雨環(huán)境下翼型將會(huì)發(fā)生邊界層的提前轉(zhuǎn)捩,并且雨滴與氣流之間存在很強(qiáng)的氣流交換,導(dǎo)致翼型升力系數(shù)減小與阻力系數(shù)上升。Cai等[8]模擬研究在降雨環(huán)境下,S809翼型升力減小而阻力增加。Valakera等[9]、Cortés等[10]和Launder等[11]提出了液滴侵蝕保護(hù)涂層,并進(jìn)行了測(cè)試。

        本文選取了以NACA0012翼型作為研究對(duì)象,采用-湍流模型進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合真實(shí)的降雨環(huán)境,雨滴的直徑并不是統(tǒng)一的,研究了在同一質(zhì)量濃度下,不同雨滴直徑下對(duì)于翼型的氣動(dòng)性能的影響,以及在同一雨滴直徑、不同質(zhì)量濃度對(duì)于翼型氣動(dòng)性能的影響。

        1 數(shù)值方法

        1.1 流場(chǎng)計(jì)算

        計(jì)算采用SIMPLE算法來求解,邊界條件選用無滑移邊界;湍流模型選用-湍流模型來進(jìn)行計(jì)算;該模型是由Launder和Spalding[11]提出的,其輸運(yùn)方程如下:

        式中:為湍動(dòng)能;為湍流耗散率。

        式中:模型的封閉常數(shù)為1ε=1.44,2ε=1.92,C=0.09,σ=1.0,σ=1.3.

        1.2 雨滴的降落速度

        在降雨環(huán)境中,雨滴最開始降落時(shí)在受到重力的作用下將加速下落,但是,由于受到空氣阻力的作用,使其加速到一定程度時(shí),即達(dá)到阻力與重力相等,此時(shí)雨滴將勻速降落。這時(shí),雨滴的速度就為雨滴的末速度,Markowitz[12]研究的表達(dá)式為:

        式中:T為雨滴降落的最終速度,單位m/s;為雨滴直徑,單位為mm。

        1.3 DPM壁面液膜模型

        離散相模型如圖1所示,壁面液膜主要是由液滴與壁面接觸、碰撞產(chǎn)生一系列物理現(xiàn)象形成。在壁面液膜模型中,主要是由以下幾個(gè)部分組成:

        (1)液滴與壁面邊界撞擊所造成的相互作用;

        (2)液滴與壁面接觸后的顆粒追蹤;

        (3)在壁面形成液膜后的高度計(jì)算以及氣相與液相之間的耦合計(jì)算[13]。

        液滴與壁面發(fā)生接觸時(shí),會(huì)發(fā)生一系列的相互作用:小液滴將會(huì)在壁面發(fā)生黏附現(xiàn)象,形成液膜;大液滴將會(huì)發(fā)生破碎,破碎后一些小液滴將會(huì)繼續(xù)附著于壁面形成液膜,而另一部分將會(huì)發(fā)生反彈、飛濺等作用于流場(chǎng)中,并且大雨滴的碰撞也將會(huì)引起液膜流動(dòng)的方向和速度變化。

        圖1 壁面液膜模型

        膜質(zhì)量守恒方程和膜動(dòng)量守恒方程,如式(4)、式(5)所示。

        膜能量守恒方程如式(6)所示。

        1.4 幾何模型及網(wǎng)格劃分

        圖2 計(jì)算區(qū)域

        圖3 翼型周圍網(wǎng)格分布

        2 計(jì)算結(jié)果分析

        2.1 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證雨水建模的準(zhǔn)確性,首先計(jì)算NACA0012翼型在雨水條件下的升力和阻力系數(shù),并將結(jié)果與Hansman等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型。分別在清潔空氣下和降雨環(huán)境下進(jìn)行模擬,選取顆粒直徑為1 mm,雷諾數(shù)為3.1×104,質(zhì)量濃度為30 g/m3,求解過程中,速度和壓力采用SIMPLEC算法,首先采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算,計(jì)算穩(wěn)定后,再調(diào)至瞬態(tài)計(jì)算,時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.000 3 s。圖4、圖5為翼型升阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。

        可以看出,在小攻角情況下,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)相一致,故采用該模擬方法對(duì)翼型升阻力系數(shù)在小攻角范圍內(nèi)進(jìn)行模擬是合理的。

        圖4 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)工況下翼型升力系數(shù)對(duì)比

        圖5 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)工況下翼型阻力系數(shù)對(duì)比

        2.2 不同攻角下翼型周圍質(zhì)量濃度分析

        不同攻角處翼型所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度,如圖6所示。分析可知,當(dāng)質(zhì)量濃度為30 g/m3,雨滴直徑為1 mm時(shí),在11.5°攻角之前,翼型周圍質(zhì)量濃度基本都處于0.070 kg/m3。而在13.5°與15.5°攻角時(shí),翼型周圍質(zhì)量濃度略微下降,處于0.056 kg/m3~0.070 kg/m3。這是因?yàn)榻涤甑娜肷涿媾c來流方向相垂直,使得翼型周圍的質(zhì)量濃度因?yàn)閬砹鞯脑颍纬捎甑尉奂瘏^(qū)。在此區(qū)域,雨滴的濃度明顯高于計(jì)算域內(nèi)其他地方的濃度。且從翼型周圍質(zhì)量濃度分布來看,有大量的雨滴直接接觸在翼型的前緣與壓力面,雨滴與翼型撞擊之后發(fā)生破裂、反彈、黏附等一系列的物理現(xiàn)象,造成翼型周圍的壓力與邊界層發(fā)生變化,導(dǎo)致其氣動(dòng)性能的損失。

        圖7為在=0.1、0.5、1、1.5、2 s時(shí)不同攻角下翼型表面形成液膜高度變化圖。結(jié)合圖6分析,從形成液膜的整體來看,在翼型的壓力面,液膜主要是由前緣形成再逐漸向尾緣發(fā)展,當(dāng)計(jì)算進(jìn)行到0.1 s時(shí),形成液膜的位置主要在翼型前緣附近,大約在0~0.02倍的弦長(zhǎng)處,形成液膜高度處于0~0.04 mm,而當(dāng)計(jì)算進(jìn)行到0.5 s時(shí),壓力面已全部形成液膜,高度處于0~0.05 mm。繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算時(shí),壓力面液膜高度基本保持一致。在翼型的吸力面,不同攻角下形成液膜波動(dòng)比較大:當(dāng)計(jì)算進(jìn)行到0.5 s時(shí),不同攻角下翼型吸力面形成液膜高度基本保持一致,形成液膜位置在翼型吸力面0~0.3倍的弦長(zhǎng)處,且液膜高度基本一致,處于0~0.003 mm。當(dāng)計(jì)算進(jìn)行到0.5 s時(shí),此時(shí),不同攻角下翼型吸力面液膜發(fā)生了不同變化,在9.5°攻角下,形成液膜分布于0~0.4倍弦長(zhǎng)處,且液膜高度較0.1 s時(shí)有明顯升高;在13.5°攻角下,此時(shí)形成液膜主要有2部分,在翼型前緣0~0.4倍弦長(zhǎng)處和尾緣0.6~1.0倍弦長(zhǎng)處,并且尾緣處翼型液膜形成高度明顯高于在前緣,形成液膜高度分別處于0~0.05 mm和0~0.6 mm;在15.5°攻角下,翼型吸力面形成液膜位置處于0~0.3倍弦長(zhǎng)與0.7~1.0倍弦長(zhǎng)處,形成液膜高度基本處于0~0.05 mm和0~0.6 mm。當(dāng)計(jì)算進(jìn)行到1 s時(shí),在9.5°攻角下,翼型吸力面形成液膜高度基本穩(wěn)定,僅只有在0.8~1.0倍的弦長(zhǎng)處形成液膜較低;在13.5°攻角下,在翼型吸力面基本都形成液膜,且液膜高度波動(dòng)較大;在15.5°攻角下,在翼型前緣形成液膜向尾緣移動(dòng)且在尾緣處形成液膜逐漸增高期,形成液膜波動(dòng)較大。當(dāng)計(jì)算進(jìn)行到1.5 s時(shí),在9.5°、13.5°攻角下,翼型吸力面形成液膜基本穩(wěn)定,在隨后計(jì)算中液膜高度也將基本不會(huì)發(fā)生變化,而在15.5°攻角下,翼型吸力面形成液膜開始逐漸累計(jì)并增高,當(dāng)計(jì)算達(dá)到2 s時(shí),3種攻角下翼型表面形成液膜高度穩(wěn)定。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是在9.5°攻角下,翼型吸力面并無分離泡與附著渦的形成;而當(dāng)攻角增大到13.5°與15.5°時(shí),翼型吸力面有分離泡與附著的形成,造成在這2個(gè)攻角下,一方面,由前緣雨滴撞擊翼型表面形成液膜向尾緣流動(dòng)所造成,另一方面,形成的分離泡與附著渦減緩了形成液膜流動(dòng)的速度,使得在翼型吸力面大量堆積,造成此2個(gè)攻角下吸力面液膜波動(dòng)更大。

        繼續(xù)分析圖7可知,當(dāng)計(jì)算進(jìn)行到2 s之后,翼型表面液膜達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),從翼型表面形成液膜高度來看,在9.5°攻角下,形成液膜由前緣到后緣依次增高,前緣處翼型形成液膜高度大約在0~0.05 mm,而在翼型尾緣處形成液膜高度在0.80 mm,隨著攻角的增大,其波動(dòng)幅度越大。這是因?yàn)樵谝硇偷那熬?,大量的雨滴撞擊到翼型表面時(shí)發(fā)生破裂、飛濺、反彈等物理現(xiàn)象,并無太多的雨滴黏附于前緣形成液膜。而在翼型的中部,由于雨滴撞擊時(shí)有傾角,并且形成液膜時(shí)將會(huì)向后緣移動(dòng),導(dǎo)致在中部區(qū)域形成液膜高度明顯高于前緣,而在尾緣處,由于形成的液膜將會(huì)流出翼型,所以此時(shí)液膜高度達(dá)到最大。從翼型的吸力面來看,在9.5°攻角時(shí),吸力面的液膜并無太大變化,基本都處于0~0.15 mm。而當(dāng)攻角增大到11.5°時(shí),由于即將要發(fā)生分離故在翼型尾緣約0.9 c處液膜厚度開始增高,處于0~0.50 mm之間。當(dāng)攻角增大到13.5°時(shí),由于在翼型吸力面有分離泡的形成,造成在0.8~0.9 c處的液膜有明顯增高,形成一個(gè)0~0.55 mm的一個(gè)峰值。當(dāng)攻角在15.5°時(shí),由于在吸力面有附著渦的形成,造成形成液膜的波動(dòng)更加明顯。

        2.3 不同雨滴質(zhì)量濃度對(duì)于翼型氣動(dòng)性能的影響

        為了研究濃度變化對(duì)于翼型氣動(dòng)性能的影響,本文選取了10、20、30 g/m33種不同質(zhì)量濃度,研究了其氣動(dòng)性能的變化。圖6為在9.5°、13.5°、15.5°攻角下翼型周圍的濃度變化情況。

        由圖8分析,由于來流方向與降雨方向垂直的原因,所以在翼型周圍將會(huì)形成濃度聚集區(qū),造成翼型周圍的質(zhì)量濃度明顯高于流場(chǎng)其他區(qū)域。在9.5°攻角下:當(dāng)質(zhì)量濃度為10 g/m3時(shí),在翼型周圍的質(zhì)量濃度分布在0.035~0.049 kg/m3;當(dāng)質(zhì)量濃度增大到20 g/m3時(shí),翼型周圍的質(zhì)量濃度也將增大,為0.049~0.070 kg/m3;當(dāng)質(zhì)量濃度為30 g/m3時(shí),翼型周圍的質(zhì)量濃度達(dá)到3種質(zhì)量濃度下最大,為0.070 kg/m3。在13.5°攻角下:當(dāng)質(zhì)量濃度為10 g/m3時(shí),在翼型周圍的質(zhì)量濃度分布在0.028~0.042 kg/m3;當(dāng)質(zhì)量濃度增大到20 g/m3時(shí),翼型周圍的質(zhì)量濃度也將增大,為0.042~0.063 kg/m3;當(dāng)質(zhì)量濃度為30 g/m3時(shí),翼型周圍的質(zhì)量濃度達(dá)到三種質(zhì)量濃度下最大,為0.063~0.070 kg/m3。在15.5°攻角下:當(dāng)質(zhì)量濃度為10 g/m3時(shí),在翼型周圍的質(zhì)量濃度分布在0.014~0.035 kg/m3;當(dāng)質(zhì)量濃度增大到20 g/m3時(shí),翼型周圍的質(zhì)量濃度也將增大,為0.035~0.042 kg/m3;當(dāng)質(zhì)量濃度為30 g/m3時(shí),翼型周圍的質(zhì)量濃度達(dá)到3種質(zhì)量濃度下最大,為0.042~0.070 kg/m3。

        圖9分別為在9.5°、13.5°、15.5°攻角下翼型表面的液膜高度圖,將雨滴直徑設(shè)置為1 mm,只改變了雨滴的質(zhì)量濃度,來研究其單一變量下在降雨環(huán)境中的翼型氣動(dòng)性能的變化。從左到右依次為翼型表面液膜高度形成圖、吸力面液膜高度圖、壓力面液膜高度圖,分析發(fā)現(xiàn),在同一質(zhì)量濃度下,液膜高度由前緣到后緣逐漸增高,這是因?yàn)橛甑卧谇熬壈l(fā)生碰撞之后產(chǎn)生破裂、飛濺等一系列的物理現(xiàn)象,使得大量破碎之后的雨滴小顆粒散落于流場(chǎng)之中,造成了在前緣形成的液膜較薄。其次因?yàn)槭且硇捅旧淼男螤畹脑?,NACA0012翼型在中間靠近尾緣的部分,過渡比較平緩,形成的液膜在此流動(dòng)相對(duì)緩慢,形成了一定的堆積,而在尾緣處達(dá)到了最大。

        從液膜高度分析來看,在9.5°攻角下翼型表面生成液膜高度基本處于0~0.2 mm之間,吸力面的液膜高度處于0~0.05 mm之間,液膜分布相對(duì)均勻,而在壓力面,相較于吸力面而言,形成的液膜厚度有較大的峰值,最高處有0.2 mm,故壓力面與吸力面相比較,壓力面波動(dòng)幅值更大;在13.5°攻角下,翼型表面形成液膜基本處于0~0.60 mm之間,由于在吸力面有分離泡的形成,延緩形成液膜的流速,故在弦長(zhǎng)的0.8~0.9倍的弦長(zhǎng)處,液膜高度達(dá)到一個(gè)峰值,為0.60 mm左右,而在翼型的壓力面,相較于吸力面而言,波動(dòng)幅值較??;在15.5°攻角下,翼型表面形成液膜的高度處于0~0.80 mm之間,由于在翼型的吸力面有附著渦的形成,造成在此攻角下,翼型吸力面的波動(dòng)幅值相比于壓力面更大。

        圖10、圖11為在不同攻角下,不同濃度雨滴和清潔空氣下翼型升阻力系數(shù)變化圖。從整體趨勢(shì)分析來看:隨著濃度的增大,翼型的升力系數(shù)都比清潔空氣小,而且濃度越大,翼型的升力系數(shù)變化越明顯。3種濃度下,在10 g/m3時(shí),翼型升力系數(shù)與清潔空氣相比,變化幅度最小,當(dāng)增大到30 g/m3,此時(shí)翼型的升力系數(shù)變化幅度最大;與之相反,隨著濃度的增大,翼型的阻力系數(shù)相比于清潔空氣都要偏大,且濃度越大,阻力系數(shù)變化越明顯。3種濃度下,在10 g/m3時(shí),翼型阻力系數(shù)與清潔空氣相比,變化幅度最小,當(dāng)增大到30 g/m3,此時(shí)翼型的阻力系數(shù)變化幅度最大。

        圖10 不同濃度下翼型升力系數(shù)隨攻角變化

        圖11 不同濃度下翼型阻力系數(shù)隨攻角變化

        3 結(jié)論

        本文以NACA0012翼型為研究對(duì)象,采用標(biāo)準(zhǔn)的-湍流模型進(jìn)行模擬,得到如下結(jié)論:

        (1)翼型表面形成液膜厚度影響主要與翼型周圍質(zhì)量濃度相關(guān)。

        (2)翼型吸力面形成液膜主要是由翼型前緣形成之后向尾緣流動(dòng)造成的,而在翼型的壓力面,形成液膜主要是由雨滴直接與翼型表面碰撞形成。

        (3)當(dāng)雨滴質(zhì)量濃度增大時(shí),翼型周圍質(zhì)量濃度也隨之增加,造成在翼型表面形成液膜厚度也在逐漸增大,對(duì)于翼型升阻力系數(shù)的影響也隨著濃度的增大而增加。

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        Effect of Rainfall on Aerodynamic Performance of Wind Turbine Airfoil

        WEN Tao, CHEN Chun-lin, WANG Lin-zhu, YANG Yuan-juan

        (Gansu Computing Center,Lanzhou 730030,China)

        In this paper, NACA 0012 airfoil is taken as the research object, and the effect of raindrops on airfoil aerodynamic performance is studied by using Lagrange discrete phase model. It is found that a liquid film of a certain thickness is formed on the surface of airfoil under rainfall environment. The formation of liquid film affects the smoothness of the airfoil surface and causes transition in advance of boundary layer, which results in the decrease of lift force and the increase of resistance of airfoil. As the calculation time goes on, the liquid film on the airfoil surface is mainly formed by raindrops colliding directly with the airfoil wall on the pressure surface, while on the suction surface, the liquid film is mainly formed by the leading edge of the airfoil and then flows gradually to the trailing edge. When the concentration of raindrops increases, the height of liquid film formed on the airfoil surface fluctuates more, and the influence on its lifting resistance will also increase.

        wind turbine; liquid film height; raindrop diameter; aerodynamic performance; mass concentration

        10.15916/j.issn1674-3261.2022.01.005

        TK83

        A

        1674-3261(2022)01-0022-09

        2021-07-20

        甘肅省省屬科研院所基礎(chǔ)條件建設(shè)專項(xiàng)(17JR3TA011)

        文洮(1987-),女,甘肅康樂人,副研究員,碩士。

        責(zé)任編輯:陳 明

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