直叶片动态效应水动力特性实验研究

王利东， 王 龙， 陈 兵， 永田修一， 村上天元

（1.大连理工大学 海洋科学与技术学院， 辽宁 盘锦 124221； 2.佐贺大学 海洋能研究所， 佐贺县 佐贺市 8408502）

0 引言

翼型动态效应是一个非定常流动的分离现象[1]，其会导致动态失速角明显超过静态失速角，并严重影响翼型的气动力/水动力性能（如翼型的升力系数峰值增大、阻力系数骤然增大等）。 在工程问题中，翼型的动态效应是须要着重考虑的一个因素。 许多学者针对翼型的动态效应进行了大量研究[2]。 D E Shipley 的研究表明，须要考虑直升机飞行时的动态失速，否则会造成机翼俯仰力矩的增大以及气动中心的失稳，严重影响直升机的安全飞行[3]。 祝健的研究表明，翼型动态效应会影响风力机叶片的稳定性，并缩短风力机叶片的使用寿命[4]。 因此，研究翼型的动态效应具有十分重要的意义。

目前，研究翼型动态效应的手段主要有3 种：数值模拟[5]、半经验工程模型和实验方法[6]。 针对二维翼型的动态效应，国内外学者做了大量数值模拟研究。 Kaufmann K[7]对俯仰翼型进行了动态失速实验和数值模拟，研究结果表明，数值模拟中第一次出现失速的区域和实验结果相一致，数值模拟在叶尖区域出现了更强的分离现象和更大的滞后效应。 Kim Y[8]用CFD 方法研究了自由流湍流对翼型动态效应的影响，分析了翼型上游的湍流以及湍流强度对翼型的影响。 Hand B[9]用数值模拟的方法研究了垂直轴风力机翼型在高雷诺数下的动态失速， 比较了U-RANS 和DES 方法对NACA0018 翼型的动态效应的影响， 发现增加雷诺数有利于提高机翼的气动性能。 除了数值模拟研究外， 学者们对翼型的失速也进行了大量实验研究。 刘清照[10]通过水槽实验研究了NACA0018叶片在静态下的水动力特性。 李国强[11]通过风洞实验研究了风力机叶片的动态失速。

本文重点分析了直叶片在不同转速下的水动力特性，以及在相同转速不同来流速度下的升、阻力系数的变化趋势， 从而为翼型的动态失速研究提供一定的参考。

1 实验方法

1.1 模型参数

本实验以NACA0018 翼型作为实验模型，该翼型具有较好的水动力特性， 被广泛应用于垂直轴潮流能水轮机上。 图1 为NACA0018 翼型图。

图1 NACA0018 翼型图Fig.1 NACA0018 airfoil blade

如图1 所示，翼型的弦长为150 mm，叶片的旋转中心距离叶片前缘36 mm， 叶片旋转中心处旋转轴的直径为12 mm。

1.2 实验设备

本实验在日本佐贺大学伊万里海洋能研究所进行。 实验水槽高度为1 m，宽1 m，水深恒定为0.7 m，来流流速为0～1.5 m/s。图2 为实验装置图。实验装置包括三脚架、25 W 调速电机、转动装置、传感器、联轴器和叶片。三脚架的水平平面固定在水槽上方的桁架上，利用垂直平面固定调速电机；调速电机与转动装置上部相连接， 转动装置包括轴、轴承和凸轮结构等结构；转动装置下方连接美国ATI Mini45 六轴力/力矩传感器， 该传感器在x，y 方向上的量程为100 N，z 方向上的量程为700 N，且传感器的精度为千分之一，能够充分保证所测数据的准确性；传感器下方连接叶片。实验时，启动调速电机，电机带动传动装置使叶片以不同的摆动速度在0～30°内转动。

图2 实验装置Fig.2 The experimental device

1.3 实验内容

实验内容主要分为叶片静态分析和动态效应分析。其中：静态分析为测完一个来流迎角的水动力性能后，不断地改变来流迎角，逐个求解，此时翼型处于静止状态；动态效应为在电机的带动下，叶片不断改变来流迎角，测得叶片的水动力性能。

1.3.1 静态分析

初始来流速度为0.5 m/s，然后加速至0.8 m/s，测量该过程中叶片受力的变化； 来流速度从0.8 m/s 不断减速至0.5 m/s， 测量该过程中叶片受力的变化。 在来流加、减速过程中，叶片受力的历时曲线如图3 所示。

图3 叶片受力的历时曲线Fig.3 The history curves of the force acting on the airfoil blade

实验时，来流速度可由传感器测得，雷诺数的计算式为

式中：ρ 为水的密度，kg/m3；v 为来流速度，在来流加、 减速过程中v 取平均速度，m/s；c 为翼型的弦长，m；μ 为水的粘性系数，Pa·s。

由式（1）可知：当来流速度为0.5 m/s 时，对应的雷诺数为0.75×105； 当来流增大到0.8 m/s 时，雷诺数相应的增大到1.2×105， 即在本实验中，雷诺数为0.75×105～1.2×105。翼型的水动力性能主要包括升力系数、阻力系数和升阻比等。 由六轴力/力矩传感器测出叶片受到的升力FL和阻力FD，升力系数Cl和阻力系数Cd可分别由式 （2），（3）计算得到。

式中：s 为叶片的展长，m。

1.3.2 动态效应分析

在电机的带动下，叶片以不同的摆动速度从0°开始转动，转到30°后，从30°再次回到0°，整个过程为一个周期。在本次实验中，叶片采用3 种不同的摆动速度，即采用3 种不同的电机转速，分 别 为ω1=0.115 rad/s，ω2=0.223 rad/s，ω3=0.345 rad/s。在叶片周期摆动的过程中，传感器收集到多个周期下的叶片受力数据，根据式（2），（3）计算出一个周期下的升、阻力系数曲线。

2 结果与分析

2.1 加、减速过程中的叶片水动力特性

在来流加、减速过程中，叶片在不同来流迎角下的水动力系数变化曲线如图4 所示。

图4 来流迎角对叶片水动力系数的影响Fig.4 The impact of the flow angles of attack on the hydrodynamic coefficients of the blade

从图4（a）可以看出：随着来流迎角的逐渐增大，叶片的升力系数也开始逐渐增大，当来流迎角增大到一定角度（叶片的失速角）后，叶片的升力系数突然减小，叶片的水动力性能急剧恶化，之后再逐渐增大来流迎角， 叶片的升力系数再次逐渐增大；随着来流迎角从0°逐渐增大到21°，叶片的阻力系数一直处于增大状态，而在失速角附近，阻力系数有一个突然增大的过程。 从图4（b）可以看出，在来流减速过程中，叶片在不同来流迎角下的水动力系数的变化趋势和来流加速过程中的基本相同，即在失速角附近，均出现了升力系数突然减小以及阻力系数突然增大的现象。

从图4 中可以看出：在来流加速过程中，叶片的失速角为12°，此时的最大升力系数为0.92；在来流减速过程中，叶片的失速角为13°，此时的最大升力系数为0.90。 在来流加、减速过程中，叶片的失速角变化不明显，即在叶片处于静止状态时，均匀增加来流的速度和均匀减小来流的速度，对叶片的影响基本相同。

2.2 同一来流速度不同转速下的叶片水动力特性

保持来流速度不变， 启动电机， 在电机带动下，叶片以不同的摆动速度在0～30°内摆动。在本实验中，叶片采用3 种不同的摆动速度，即采用3种不同的电机转速来带动叶片摆动。 当来流速度分别为0.5，0.6，0.8 m/s 时， 测得的叶片水动力系数曲线分别如图5～7 所示。

图5 来流速度为0.5 m/s 时的叶片水动力系数曲线Fig.5 The hydrodynamic coefficient curves of the airfoil blade when the inflow velocity is 0.5 m/s

图6 来流速度为0.6 m/s 时的叶片水动力系数曲线Fig.6 The hydrodynamic coefficient curves of the airfoil blade when the inflow velocity is 0.6 m/s

图7 来流速度为0.8 m/s 时的叶片水动力系数曲线Fig.7 The hydrodynamic coefficient curves of the airfoil blade when the inflow velocity is 0.8 m/s

从图5～7 中的升力系数曲线可以看出：当来流速度不同时，在整个周期运动的过程中，叶片的升力系数曲线均为闭合环形曲线： 在不同的转速下，叶片的升力系数曲线有大致相同的变化趋势；在0～30°这个阶段， 叶片的升力系数随着来流迎角的增加而逐渐增大，达到失速角后，叶片的升力系数开始逐渐下降；到达30°后，叶片开始往回运动，在30～0°这个阶段，叶片的升力系数开始逐渐减小。 从图5～7 中的阻力系数曲线可以看出，在0～30°这个阶段，随着来流迎角的增加，叶片的阻力系数逐渐增大， 并在失速角附近骤然增大；在30～0°这个阶段，叶片的阻力系数逐渐降低到0。

在来流速度为0.8 m/s 的情况下，当电机转速为ω1时，叶片的最大升力系数为1.49，失速角为14°；当电机转速为ω2时，叶片的最大升力系数为2.0，失速角为19°；当电机转速为ω3时，叶片的最大升力系数为2.2，失速角为25°。综上可知，随着电机转速的不断增大， 叶片的失速角不断后移，且升力系数最大值不断增大。这是因为转速的增加导致叶片的局部雷诺数增加， 相应的失速角增大，而当转速增大到一定程度后，叶片在0～30°内不会再发生动态失速的现象。 和静态分析不同的是，在动态效应下，叶片升、阻力系数的最大值均大于静态下的升、阻力系数最大值，且失速角和静态下的也不同，失速延迟现象明显。

2.3 同一转速不同来流速度下的叶片水动力特性

电机转速一定时， 不同来流速度对叶片升力系数的影响如图8 所示。从图8 可以看出，在固定电机转速后， 来流速度对叶片水动力性能的影响具有一致性。以电机转速为0.345 rad/s 为例，当来流速度为0.5 m/s 时，叶片失速角为18°；当来流速度为0.6 m/s 时，叶片失速角为19°；当来流速度为0.8 m/s 时，叶片失速角为24°。 综上可知，当增大来流速度时，叶片的失速角不断后移，这是因为来流速度的增大导致雷诺数增大， 而雷诺数的大小影响了升力系数曲线。 在图8（a），（b）中，升力系数曲线有相同的变化趋势， 即在来流速度增大的情况下，失速角不断后移。

图8 叶片在不同来流速度下的升力系数变化曲线Fig.8 The variation curve of lift coefficient of blade at different inlet velocity

3 结论

①在静态分析情况下，来流在加、减速过程中对叶片的水动力特性影响基本相同， 均出现了在失速角附近升力系数骤然降低以及阻力系数骤然增大的现象。

②在动态分析情况下， 叶片的升力系数出现了“滞环”现象，NACA0018 翼型的失速角随着电机转速的增大而增大， 最大升力系数也随之逐渐增大，电机转速增大到一定程度后，可以降低动态失速的严重程度甚至避免其发生。

③与静态分析相比， 翼型的动态失速角大于静态失速角，失速延迟现象较为明显。