曲面型渦流發生器對風力機葉片翼型氣動性能影響研究

許萬順,劉明,苑斐琦,馮威

(1.洛陽雙瑞風電葉片有限公司,河南 洛陽 471039;2.廈門雙瑞風電科技有限公司,福建 廈門 361115)

風力機在旋轉過程中,葉片各段的翼型所處的攻角從葉尖到葉根不斷增大,當攻角增大到一定程度時,就會產生邊界層的分離,也就是失速,此時翼型的氣動性能會降低。渦流發生器(Vortex Generators,VG)作為一種抑制失速的被動控制方法,因其安裝方便且不破壞葉片的結構強度,被廣泛應用于風電行業。GRIFFIN[1]通過風洞實驗方法,研究了在風力機葉片AWT-26上加裝VG對發電量的影響,發現加裝VG可以提升風力機在中等風速下的發電功率,并且不會對風力機的載荷及安全性產生不利影響。ZHANG[2]對多款加裝VG的翼型進行風洞實驗研究,發現VG的效率受弦向位置、橫向間距和VG類型的影響。戴麗萍[3]采用數值計算研究在翼型DU97-W-300不同位置加裝三角形VG對其氣動性能的影響,發現在20%弦向位置加裝VG效果最好。張惠[4]研究了不同形狀平板型VG和不同安裝位置對翼型DU93-W-210氣動性能的影響,發現三角形VG效果優于矩形和梯形,且在弦向20%位置效果最好。陳杰[5]采用CFD方法研究VG對葉片NREL Phase VI氣動性能的影響,發現增大VG尺寸可以提高葉片氣動性能,但同時也會引起葉片展向氣動力的波動,需要合理選擇VG的尺寸大小和安裝位置。胡夢杰[6]采用數值模擬的方法對DU97-W-300翼型上加裝CLARKY翼型氣動外形的VG進行研究,發現反向對裝的CLARKY翼型氣動外形的VG提升翼型氣動性能效果優于平板型VG,同時發現采用SSTk-ω湍流模型計算精度高于S-A和Transition-SST。高超[7]在傳統三角形VG的基礎上進行改進,將VG后緣調整為斜邊和弧線,通過風洞實驗發現幾款新型VG的效果均優于傳統三角形VG。

VG抑制失速的原理是利用VG內外兩側的壓力差形成翼尖渦,旋轉的翼尖渦將遠離翼型壁面的高速流體卷入到低速區域,從而抑制了氣流在逆壓梯度下的分離。目前大多數VG是由不同形狀的平板構成,雖然加工方便,但在增強翼尖渦方面平板型VG并沒有明顯優勢,本文在三角形平板VG的基礎上,開發出曲面型VG。在翼型DU97-W-300上加裝多款曲面型渦流發生器,采用CFD方法進行數值模擬計算,探究不同類型曲面型VG對翼型氣動性能的影響。

1 計算模型

1.1 幾何模型

本文在翼型DU97-W-300上加裝VG,翼型弦長1 m,相對厚度30%,VG安裝在弦向方向距離前緣0.2 m處,如圖1所示。為了降低計算成本,只對一組VG進行模擬,并將翼型段兩側設置為平移周期性邊界來模擬不同組VG之間的相互作用,翼型段寬度為0.1 m,即不同組VG中心線的間距。VG的構造如圖2所示,參數值見表1,在三角形平板VG的基礎上,將底部的長邊從直線調整為弧線,來實現VG曲面化的效果,通過變換弧高W1和W2的正負值(正值為凸面,負值為凹面,0為平面)來得到不同類型的曲面VG,如圖3所示。本文一共研究6款VG,其中VG1為三角形平板VG,作為參考;VG2和VG3為一側曲面一側平面,VG2為內側凸曲面,VG3為外側凸曲面;VG4和VG5為一側凹面一側凸面,VG4為內側凸面外側凹面,VG5為內側凹面外側凸面;而VG6為兩側凸面。通過分析6款VG的效果,來獲得最優的曲面型VG。

表1 曲面型VG參數

圖1 翼型加裝渦流發生器示意圖

圖2 一組渦流發生器構造圖

圖3 不同類型的曲面渦流發生器

1.2 網格劃分

本文采用六面體結構化網格,計算域尺寸50 m×40 m,網格總數為980萬,邊界層第一層高度為0.005 mm,滿足本文所用湍流模型的要求。網格劃分如圖4和圖5所示,為了更好地模擬邊界層分離和VG翼尖渦的產生過程,限制翼型周向網格尺寸最大值為10 mm,并在VG附近加密為0.5 mm,距離翼型50 mm內的流場徑向網格尺寸最大值設置為2 mm。

圖4 翼型附近網格示意圖

圖5 VG附近網格示意圖

1.3 物理模型

因為VG一般安裝在風力機葉片葉根附近,此范圍的流場合成速度不高,本文選取的來流速度為30 m/s,屬于低速流動,壓縮性影響可以忽略不計,因此流體介質采用不可壓縮空氣,雷諾數Re=2×106,湍流模型為SSTk-ω模型,非定常計算,時間步長為0.005 s,入口為速度入口,出口為壓力出口,兩側邊界為平移周期性邊界,翼型及VG表面為無滑移壁面。

通過調整來流角度模擬計算不同攻角下加裝VG翼型的氣動性能,攻角范圍為0°～20°,間隔2.5°。

2 計算結果分析

2.1 不同類型曲面型VG對翼型氣動性能影響

對光滑翼型段和6款加裝VG的翼型段進行流場仿真計算,對比其升力系數Cl、阻力系數Cd和升阻比Cl/Cd,結果如圖6、圖7和圖8所示。從圖中可以看出6款VG都能有效抑制失速,VG3、VG5和VG6的效果不如平板型VG1,VG2效果略好于VG1,VG4效果明顯優于VG1。

圖6 升力系數對比圖

圖7 阻力系數對比圖

圖8 升阻比對比圖

表2為最大升力系數和最大升阻比匯總,進一步通過分析對比,得到如下結論：

表2 最大升力系數和最大升阻比

(1)效果VG2(內凸外平)>VG1(內平外平),VG6(內凸外凸)>VG3(內平外凸),可知在VG內側使用凸曲面,有利于提高最大升力和升阻比。

(2)效果VG3(內平外凸)

(3)效果VG4(內凸外凹)>VG2(內凸外平),可知在VG外側使用凹曲面,有利于提高最大升力和升阻比。

(4)效果VG5(內凹外凸)

綜上可知,VG4是最優的曲面型VG,即內凸外凹的曲面結構,對于提高翼型最大升力和最大升阻比的效果最佳。這是由于內側凸曲面有利于降低VG內側負壓面的壓強,而外側使用凹曲面進一步提高了外側壓力面的壓強,從而增大了內外兩側的壓強差,增強VG生成翼尖渦的強度,使得更多的高速流體和邊界層的低速流體進行能力交換,使其在逆壓梯度下的分離點進一步延后,提升VG抑制失速的效果。

2.2 VG4的弧高變化對翼型氣動性能影響

根據VG4內凸外凹的特點,即弧高W1>0,W2<0(為了簡化分析取W2=-W1),通過仿真計算不同弧高W1的VG對翼型氣動性能影響,來進一步優化曲面型VG。

設定W1=n,W2=-n,曲面VG命名為VG4-n,n取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。加裝不同弧高VG的翼型氣動性能如圖9、圖10和圖11所示,并將最大升力和最大升阻比匯總到表3中,結果顯示當弧高在1 mm～4 mm范圍內,翼型最大升力和最大升阻比隨著弧高的增加而增大,并且當弧高為4 mm時,最大升力和最大升阻比增加至最大,最大升力的攻角增加至20°。通過圖12可知VG4-2相較于光滑翼型邊界層分離點已明顯延后,但仍在翼型尾緣附近有小范圍的分離,而VG4-4已完全抑制了20°攻角時翼型的邊界層分離,這說明弧高從1 mm增加到4 mm過程中,邊界層分離點不斷后移直至消失,弧高4 mm時抑制失速效果最好。

表3 最大升力系數和最大升阻比

圖9 升力系數對比圖

圖10 阻力系數對比圖

圖11 升阻比對比圖

圖12 攻角為20°時翼型附近的流線圖

當弧高W1=5 mm時,加裝VG4-5的翼型氣動性能相較于VG4-4略有降低,這是VG形阻增大導致的,說明當W1>4 mm時,增加曲面的弧高并不能再提高翼型的氣動性能,反而會使曲面型VG對翼型氣動性能提升效果降低,因此弧高為4 mm的曲面型VG提升翼型氣動效果最優。

3 結語

本文通過在翼型DU97-W-300上加裝多款曲面型VG,計算對比其氣動性能,發現在VG內側使用凸面和外側使用凹面,可進一步抑制翼型失速,效果優于平板型VG,更有利于提高翼型的氣動性能;反之在VG內側使用凹面和外側使用凸面,會降低VG抑制失速的效果,低于平板型VG,不利于提高翼型氣動性能。因此內凸外凹型曲面VG對于翼型失速具有最優的效果。

對內凸外凹型曲面VG進一步優化,通過對比不同弧高的影響,發現翼型氣動性能的提升隨弧高的增加呈現先提升后減弱的現象,當內凸外凹型曲面VG底部曲線的弧高為4 mm時,提升翼型氣動性能的效果最好。