渦流發生器安裝角對風力機翼型氣動特性的影響

趙銀輝，劉婷婷，張小兵，張雪梅

(1.中國葛洲壩集團電力有限責任公司，湖北 宜昌 443000；2.國家電力投資集團北京電力有限公司，北京 102300；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司嘉峪關車輛段，甘肅 嘉峪關 735103)

1 引言

隨著能源消耗量的不斷增長，風能作為最具潛力的能源形式之一，越來越受到關注。風力發電作為風能利用的主要形式，可極大減少碳排放，是助力碳達峰和碳中和目標實現的重要途徑。葉片是風力機吸收和轉化風能的重要部件，其截面翼型氣動特性的分析是研究風力機葉片和風輪氣動性能的基礎。趙安安等[1]研究了數值計算方法中，翼型近壁面網格尺寸對計算結果的影響，研究表明，翼型近壁面網格縱橫比對數值計算結果有較大影響。付云豪等[2]研究了翼型下表面射流參數對其氣動性能的影響，研究表明，改變射流參數可以改變低攻角下翼型的氣動性能。趙振宙等[3]采用數值方法研究發現，渦流發生器(Vortex Generators,VGs)可以有效抑制翼型的動態失速。文獻[4,5]分析了不同形狀的渦流發生器對風力機翼段動態失速的影響，結果表明，前高度更大的渦流發生器可有效提升翼型的氣動性能。文獻[6～12]研究了渦流發生器對不同物體流動特征的影響。以上研究表明，在翼型表面合理安裝渦流發生器可以抑制流動分離。

本文以風力機三維翼型段為研究對象，采用數值計算方法，在特定攻角下研究了渦流發生器的安裝角對翼型氣動特性的影響，分析了渦流發生器的安裝角對翼型表面壓力、升阻力特性和流場結構的影響規律。研究有助于渦流發生器的設計和安裝，進而為提高風力機翼型的氣動特性提供參考。

2 計算模型

以風力機專用的DU91-W2-250翼型段為研究對象，其弦長為0.6 m，展長為0.035 m，三維翼段的外形和吸力面渦流發生器的安裝方式如圖1所示。

圖1 翼型段外形和渦流發生器安裝示意

3 計算域及網格劃分

如圖2所示，建立矩形的計算區域，其長度為5 m，寬度為1 m，高度為4 m，翼型氣動中心距入口的距離為1.2 m，三維翼段的攻角為18°。

圖2 計算域示意

采用非結構化網格對計算區域進行網格劃分，網格的全局最大尺寸為25 mm，為了提高數值計算的準確性，對翼型周圍和渦流發生器周圍的網格進行加密處理[13]，翼型周圍網格的最大尺寸為1 mm，渦流發生器周圍網格的最大尺寸為0.1 mm，整個計算域的網格總數約為280萬個。圖3為渦流發生器周圍網格分布示意圖。

圖3 渦流發生器周圍網格示意

4 數值計算方法及邊界條件

求解的雷諾時均的N-S方程和連續性方程為：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：t表示時間；ρ表示空氣密度；p表示表面壓力；v表示速度矢量；τ表示表面應力矢量；f表示單位質量體積力矢量。

數值計算中，選用k-ωSST湍流模型封閉方程，所有方程采用二階迎風格式離散；速度和壓力的耦合采用SIMPLEC算法；計算域入口為速度入口條件，大小為9 m/s，出口為壓力出口，靜壓設置為0 Pa。

5 結果分析

為分析渦流發生器的安裝角對翼型氣動特性的影響規律，分別選取渦流發生器安裝角β為5°、9°、12°、15°、18°和21°的翼型段為研究對象，通過與清潔翼段對比，分析安裝角變化對翼型表面壓力和升阻力特性的影響。

翼型上、下翼面的表面壓力差是葉片轉矩的來源[14,15]。圖4為不同安裝角下翼型表面壓力與清潔翼型表面壓力對比的結果。由圖可知，吸力面安裝渦流發生器后，與清潔翼段相比，安裝位置處的翼型表面壓差增大。分析具體的數據可知，當安裝角從5°增加到15°時，渦流發生器安裝位置處的負壓增大，即翼型表面壓差增大，但隨著安裝角的繼續增大，渦流發生器安裝位置處的負壓出現減小的趨勢，即翼型表面壓差減小。

圖4 不同安裝角下翼型的表面壓力分布

翼型表面安裝渦流發生器后翼型表面壓差會增大，導致翼型的升阻力特性發生變化。表1為不同安裝角下翼型的升力系數、阻力系數和升阻比的分布，分析數據可知，與清潔翼段相比，吸力面安裝渦流發生器后翼段的升力系數、阻力系數和升阻比均增大。隨著渦流發生器安裝角的增大，阻力系數呈現增大的趨勢，升力系數和升阻比均呈現先增大后減小的趨勢。當渦流發生器的安裝角從5°增加到21°時，翼段的阻力系數增大了2.3%。當渦流發生器的安裝角從5°增加到15°時，翼段的升力系數增大了5.29倍，升阻比增大了5.27倍。當渦流發生器的安裝角從15°增加到21°時，翼段的升力系數和升阻比均減小了84.5%。因此，渦流發生器安裝角為15°時，翼段獲得良好的氣動性能，與清潔翼段相比，升阻比增大了14倍。為了分析安裝渦流發生器后翼段的流場特性，圖5 比較了清潔翼段和渦流發生器安裝角為15°翼段弦向截面內的速度分布云圖，由圖可知，與清潔翼段相比，渦流發生器安裝角為15°的翼段邊界層分離點的位置向尾緣方向移動，有效抑制了流動分離的發生。

表1 不同安裝下翼型的升阻力特性

圖5 速度分布云圖

6 結論

本文以風力機專用的DU91-W2-250翼型段為研究對象，分析了渦流發生器的安裝角對翼型表面壓力、升阻力特性和流場結構的影響規律，研究得出以下結論：

(1)當渦流發生器的安裝角從5°增大到21°時，渦流發生器安裝位置處的負壓呈現先增大后減小的趨勢，導致翼段的表面壓差呈現先增大后減小的趨勢。

(2)渦流發生器會改變流動發生分離的位置，與清潔翼段相比，渦流發生器的安裝角為15°時，分離位置向尾緣移動，翼型的升阻比增大了14倍。