鈍后緣翼型的后緣減阻裝置研究

宋 科，李 棟

(翼型、葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072)

0 引言

關(guān)于鈍后緣翼型的早期研究發(fā)現(xiàn)，其底部附近存在定常或周期性低壓流動(dòng)，帶來相當(dāng)大的底部阻力，所以亞聲速翼型設(shè)計(jì)通常會(huì)避免鈍后緣的出現(xiàn)［1］。然而近年來，在國(guó)外的風(fēng)電新能源領(lǐng)域中，大厚度鈍后緣翼型［2－3］被用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片。此類翼型相對(duì)厚度通常在25%～40%之間，后緣底部相對(duì)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(diǎn):

1)結(jié)構(gòu)效率高(結(jié)構(gòu)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(duì)表面污染不敏感

其中關(guān)于第三點(diǎn)，現(xiàn)有的研究表明［4－5］，通過加厚后緣，將最大相對(duì)厚度與后緣相對(duì)厚度之差限制在25%以內(nèi)，有助于降低升力特性對(duì)轉(zhuǎn)捩的敏感度。這樣風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中即使受到灰塵、鳥糞、雨水的沾染，轉(zhuǎn)捩位置和氣動(dòng)特性也不會(huì)出現(xiàn)劇烈變化。

氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)特性方面的優(yōu)點(diǎn)使鈍后緣翼型非常適合用于大型、超大型風(fēng)力機(jī)葉片。然而鈍后緣翼型存在底阻大這一固有缺點(diǎn)，過高的阻力對(duì)扭矩和功率輸出均有不可忽視的負(fù)面影響，探索一種簡(jiǎn)單實(shí)用的鈍后緣翼型減阻方法對(duì)高性能風(fēng)機(jī)翼型與葉片設(shè)計(jì)有重要意義。

1 后緣減阻裝置

產(chǎn)生底部阻力的主要機(jī)理是:流動(dòng)在底部臺(tái)階轉(zhuǎn)角處加速，使壓力下降并生成低壓旋渦結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生較大壓力差。最近幾年國(guó)外文獻(xiàn)提出［6－7］，在鈍后緣風(fēng)機(jī)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(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)減小底部阻力的目的。其中隔板是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)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(jì)算模型

本文研究了FB系列新概念風(fēng)機(jī)翼型［5］中的兩個(gè)翼型FB-4000-1000與 FBv4000v2000(圖2)，最大相對(duì)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(duì)尖銳后緣基準(zhǔn)翼型的后部修形而得到。

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

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

3 數(shù)值方法與計(jì)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(shù):有限體積離散，二階精度ROE-FDS格式，雙時(shí)間推進(jìn)，LU-SGS子迭代，S-A湍流模型。計(jì)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(zhǎng)的0.7×10－5倍，在基于弦長(zhǎng)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(shí)的后緣附近網(wǎng)格對(duì)比示意圖。

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

4 計(jì)算與分析

FB-4000-1000與FB-4000-2000翼型的計(jì)算狀態(tài)同為 Re=1 ×106(基于弦長(zhǎng))，Ma=0.1405，翼型上下表面固定轉(zhuǎn)捩位置均為5%弦長(zhǎng)。首先計(jì)算了翼型未安裝隔板時(shí)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(dòng)，本文所有算例均采用非定常計(jì)算，力系數(shù)為平均值。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［5］中的兩組計(jì)算數(shù)據(jù)符合良好(圖5，其中MSES與ARC2D為參考文獻(xiàn)計(jì)算值)，驗(yàn)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(tái)階中部的情況，已有文獻(xiàn)進(jìn)行了研究，而安裝在上部與下部的情況暫未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報(bào)導(dǎo)。為了便于對(duì)比，本文研究以中部隔板為重點(diǎn)，其數(shù)值計(jì)算結(jié)果(圖6、圖7)說明，后緣臺(tái)階中部安裝隔板對(duì)兩個(gè)翼型的影響規(guī)律基本一致，并且與文獻(xiàn)［6］等的結(jié)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(duì)應(yīng)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(dòng)曲線，迎角5°Fig.11 The periodic CD，attack angle 5°

關(guān)于隔板安裝位置的影響，本文進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)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(dòng)，升力損失嚴(yán)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(duì)應(yīng)的減阻百分比，中部隔板的效果最好，在中小迎角范圍內(nèi)減阻29%～36%，平均約35%;大迎角時(shí)平均也超過20%。

以上研究中，隔板長(zhǎng)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(tái)階處的旋渦流動(dòng)，減小負(fù)壓值，從而實(shí)現(xiàn)減阻。后緣的大尺度旋渦流動(dòng)，受制于幾何外形邊界條件，其特征長(zhǎng)度與后緣厚度相當(dāng)。本文認(rèn)為如果要對(duì)后緣大尺度流動(dòng)產(chǎn)生顯著影響，隔板長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到此特征長(zhǎng)度，即后緣厚度。隔板長(zhǎng)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(jì)算(圖12)驗(yàn)證了隔板長(zhǎng)度等于50%后緣厚度時(shí)，其減阻效果較差。

(2)后緣隔板需要通過收放機(jī)構(gòu)實(shí)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(zhuǎn)軸打開;而中部隔板由兩段折疊而成，每段長(zhǎng)度均等于后緣厚度的一半，先以鉸鏈A為轉(zhuǎn)軸打開90°，再將外段隔板以B為轉(zhuǎn)軸打開180°。對(duì)于中部隔板的情況，如果長(zhǎng)度超過后緣厚度，隔板就需要3段以上折疊結(jié)構(gòu)，如果長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)重量增加，結(jié)構(gòu)剛性難以保證。

綜合氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)兩方面因素，本文認(rèn)為隔板長(zhǎng)度益取為等于后緣厚度。

圖12 FB-4000-1000翼型力系數(shù)(不同長(zhǎng)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(jī)構(gòu)示意圖Fig.13 Opening/closing device of splitters

5 總結(jié)

后緣隔板三種布局中，上部隔板布局因升力損失嚴(yán)重而使綜合氣動(dòng)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(shí)用價(jià)值;中部隔板布局以一定程度升力損失為代價(jià)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(dāng)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€(gè)減阻方案，兩者的對(duì)比也給出一種提示:隔板安裝在后緣臺(tái)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(jìn)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.