來流攻角對葉片脫體渦脫落頻率的影響

王海洋　田曉慶　潘玉鵬

摘 要：對于繞流問題的研究，渦的脫落頻率是一個重要的參數，它是用來衡量流場的周期變化程度。為了研究來流攻角對葉片后脫體渦脫落頻率的影響，分別對相同速度、相同的葉片長度、來流攻角分別為±30°、±45°、±60°的葉片進行數值模擬。計算表明：脫體渦的脫落頻率隨著葉片安裝角度絕對值的增大而減小，安裝角度的正負對脫落頻率的影響很小，可以忽略不計。

關鍵詞：脫體渦；脫落頻率；數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.032

1 前言

在空氣動力學中以及水動力學中，流體機械內的流動分離是一種常見的現象。而流動分離會使得流體機械的工作效率大大的降低，葉片擾流器是一種結構簡單的裝置可以有效的減小流動分離區域，進而使得流體機械的效率提高[1]。葉片后脫體渦的脫落頻率對葉片改善流體機械的性能有很大的影響，基于此，本文研究不同來流攻角葉片后脫體渦脫落頻率的變化。

2 物理模型和網格的劃分

根據端木玉 [2]等學者對繞流問題的研究表明，在低雷諾數的情況下，可以把三維的繞流問題簡化為二維。鑒于此，葉片的物理模型如下圖（圖1）所示：葉片長度為L，葉片與來流方向的夾角計為β，并將葉片順時針旋轉為規定為正角度。葉片距離進水口的距離為10L，與出水口的距離為30L。研究區域為：40L×10L的二維平面。計算過程中出口條件設置為outflow，葉片設置為wall，工作介質為20℃水。根據上述物理模型使用pointwise進行網格的劃分。由于葉片附近以及葉片后尾流區流場變化迅速且尾渦特征比較復雜，需要高質量的網格。靠近葉片的網格相對比較密其余部分網格逐漸稀疏，在保證計算不失真的情況下一定程度上減少網格的數量，提高計算的效率。下圖（圖2）為計算域的整體網格：

3 計算結果與分析

尾渦的脫落頻率是一個重要的參數，它是用來衡量流場的周期變化程度。為了研究脫體渦的脫落頻率，在計算的過程中在葉片后設置監測點，檢測該點的速度隨著時間的變化，不同的葉片攻角選擇的監測點略有不同。得到監測點的速度V隨時間t的時域圖后，通過origin進行快速傅里葉變換（FFT）得到頻譜圖，如下圖（圖3）所示：按照同樣的方式對6種工況下的頻率進行計算整理可得下表（表1），從表中可得隨著葉片攻角絕對值的增大，葉片后脫體渦的脫落頻率減小，攻角為30°的時候脫落頻率大約為60°的兩倍。而攻角為-30°和30°、-45°和45°、-60°和60°時脫落頻率幾乎相同。

4 結論

為提高葉片擾流器應用和推廣，研究了理想狀況下不同攻角葉片后脫體渦的脫落頻率，依次分析了流速為0.02m/s時，VG葉片長度為2cm，來流攻角為±30°、±45°和±60°下，所產生脫體渦的脫落頻率。研究結果表明：

（1）安裝角度的正負性對單葉片產生的脫體渦的脫落頻率影響很小。

（2）脫體渦的脫落頻率隨著葉片攻角的絕對值增大呈現減小的趨勢。

參考文獻：

[1]宋娟娟，徐宇，徐建中.葉片擾流器對風力機性能影響的數值研究[J].工程熱物理學報，2012，V33（03）：405-407.

[2]端木玉，萬德成.雷諾數為3900時三維圓柱繞流的大渦模擬[J]. 海洋工程，2016，34（06）：11-20.

項目基金：浙江省自然科學基金資助項目（LQ17E090007）；國家自然科學基金資助項目（51709070）；浙江省重點研發計劃項目（2018C04002）

作者簡介：王海洋（1993-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向：計算流體力學。

*為通訊作者