曲面型涡流发生器对风力机叶片翼型气动性能影响研究

许万顺,刘明,苑斐琦,冯威

(1.洛阳双瑞风电叶片有限公司,河南 洛阳 471039;2.厦门双瑞风电科技有限公司,福建 厦门 361115)

风力机在旋转过程中,叶片各段的翼型所处的攻角从叶尖到叶根不断增大,当攻角增大到一定程度时,就会产生边界层的分离,也就是失速,此时翼型的气动性能会降低。涡流发生器(Vortex Generators,VG)作为一种抑制失速的被动控制方法,因其安装方便且不破坏叶片的结构强度,被广泛应用于风电行业。GRIFFIN[1]通过风洞实验方法,研究了在风力机叶片AWT-26上加装VG对发电量的影响,发现加装VG可以提升风力机在中等风速下的发电功率,并且不会对风力机的载荷及安全性产生不利影响。ZHANG[2]对多款加装VG的翼型进行风洞实验研究,发现VG的效率受弦向位置、横向间距和VG类型的影响。戴丽萍[3]采用数值计算研究在翼型DU97-W-300不同位置加装三角形VG对其气动性能的影响,发现在20%弦向位置加装VG效果最好。张惠[4]研究了不同形状平板型VG和不同安装位置对翼型DU93-W-210气动性能的影响,发现三角形VG效果优于矩形和梯形,且在弦向20%位置效果最好。陈杰[5]采用CFD方法研究VG对叶片NREL Phase VI气动性能的影响,发现增大VG尺寸可以提高叶片气动性能,但同时也会引起叶片展向气动力的波动,需要合理选择VG的尺寸大小和安装位置。胡梦杰[6]采用数值模拟的方法对DU97-W-300翼型上加装CLARKY翼型气动外形的VG进行研究,发现反向对装的CLARKY翼型气动外形的VG提升翼型气动性能效果优于平板型VG,同时发现采用SSTk-ω湍流模型计算精度高于S-A和Transition-SST。高超[7]在传统三角形VG的基础上进行改进,将VG后缘调整为斜边和弧线,通过风洞实验发现几款新型VG的效果均优于传统三角形VG。

VG抑制失速的原理是利用VG内外两侧的压力差形成翼尖涡,旋转的翼尖涡将远离翼型壁面的高速流体卷入到低速区域,从而抑制了气流在逆压梯度下的分离。目前大多数VG是由不同形状的平板构成,虽然加工方便,但在增强翼尖涡方面平板型VG并没有明显优势,本文在三角形平板VG的基础上,开发出曲面型VG。在翼型DU97-W-300上加装多款曲面型涡流发生器,采用CFD方法进行数值模拟计算,探究不同类型曲面型VG对翼型气动性能的影响。

1 计算模型

1.1 几何模型

本文在翼型DU97-W-300上加装VG,翼型弦长1 m,相对厚度30%,VG安装在弦向方向距离前缘0.2 m处,如图1所示。为了降低计算成本,只对一组VG进行模拟,并将翼型段两侧设置为平移周期性边界来模拟不同组VG之间的相互作用,翼型段宽度为0.1 m,即不同组VG中心线的间距。VG的构造如图2所示,参数值见表1,在三角形平板VG的基础上,将底部的长边从直线调整为弧线,来实现VG曲面化的效果,通过变换弧高W1和W2的正负值(正值为凸面,负值为凹面,0为平面)来得到不同类型的曲面VG,如图3所示。本文一共研究6款VG,其中VG1为三角形平板VG,作为参考;VG2和VG3为一侧曲面一侧平面,VG2为内侧凸曲面,VG3为外侧凸曲面;VG4和VG5为一侧凹面一侧凸面,VG4为内侧凸面外侧凹面,VG5为内侧凹面外侧凸面;而VG6为两侧凸面。通过分析6款VG的效果,来获得最优的曲面型VG。

表1 曲面型VG参数

图1 翼型加装涡流发生器示意图

图2 一组涡流发生器构造图

图3 不同类型的曲面涡流发生器

1.2 网格划分

本文采用六面体结构化网格,计算域尺寸50 m×40 m,网格总数为980万,边界层第一层高度为0.005 mm,满足本文所用湍流模型的要求。网格划分如图4和图5所示,为了更好地模拟边界层分离和VG翼尖涡的产生过程,限制翼型周向网格尺寸最大值为10 mm,并在VG附近加密为0.5 mm,距离翼型50 mm内的流场径向网格尺寸最大值设置为2 mm。

图4 翼型附近网格示意图

图5 VG附近网格示意图

1.3 物理模型

因为VG一般安装在风力机叶片叶根附近,此范围的流场合成速度不高,本文选取的来流速度为30 m/s,属于低速流动,压缩性影响可以忽略不计,因此流体介质采用不可压缩空气,雷诺数Re=2×106,湍流模型为SSTk-ω模型,非定常计算,时间步长为0.005 s,入口为速度入口,出口为压力出口,两侧边界为平移周期性边界,翼型及VG表面为无滑移壁面。

通过调整来流角度模拟计算不同攻角下加装VG翼型的气动性能,攻角范围为0°～20°,间隔2.5°。

2 计算结果分析

2.1 不同类型曲面型VG对翼型气动性能影响

对光滑翼型段和6款加装VG的翼型段进行流场仿真计算,对比其升力系数Cl、阻力系数Cd和升阻比Cl/Cd,结果如图6、图7和图8所示。从图中可以看出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效果明显优于VG1。

图6 升力系数对比图

图7 阻力系数对比图

图8 升阻比对比图

表2为最大升力系数和最大升阻比汇总,进一步通过分析对比,得到如下结论：

表2 最大升力系数和最大升阻比

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

(2)效果VG3(内平外凸)

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

(4)效果VG5(内凹外凸)

综上可知,VG4是最优的曲面型VG,即内凸外凹的曲面结构,对于提高翼型最大升力和最大升阻比的效果最佳。这是由于内侧凸曲面有利于降低VG内侧负压面的压强,而外侧使用凹曲面进一步提高了外侧压力面的压强,从而增大了内外两侧的压强差,增强VG生成翼尖涡的强度,使得更多的高速流体和边界层的低速流体进行能力交换,使其在逆压梯度下的分离点进一步延后,提升VG抑制失速的效果。

2.2 VG4的弧高变化对翼型气动性能影响

根据VG4内凸外凹的特点,即弧高W1>0,W2<0(为了简化分析取W2=-W1),通过仿真计算不同弧高W1的VG对翼型气动性能影响,来进一步优化曲面型VG。

设定W1=n,W2=-n,曲面VG命名为VG4-n,n取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm。加装不同弧高VG的翼型气动性能如图9、图10和图11所示,并将最大升力和最大升阻比汇总到表3中,结果显示当弧高在1 mm～4 mm范围内,翼型最大升力和最大升阻比随着弧高的增加而增大,并且当弧高为4 mm时,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°。通过图12可知VG4-2相较于光滑翼型边界层分离点已明显延后,但仍在翼型尾缘附近有小范围的分离,而VG4-4已完全抑制了20°攻角时翼型的边界层分离,这说明弧高从1 mm增加到4 mm过程中,边界层分离点不断后移直至消失,弧高4 mm时抑制失速效果最好。

表3 最大升力系数和最大升阻比

图9 升力系数对比图

图10 阻力系数对比图

图11 升阻比对比图

图12 攻角为20°时翼型附近的流线图

当弧高W1=5 mm时,加装VG4-5的翼型气动性能相较于VG4-4略有降低,这是VG形阻增大导致的,说明当W1>4 mm时,增加曲面的弧高并不能再提高翼型的气动性能,反而会使曲面型VG对翼型气动性能提升效果降低,因此弧高为4 mm的曲面型VG提升翼型气动效果最优。

3 结语

本文通过在翼型DU97-W-300上加装多款曲面型VG,计算对比其气动性能,发现在VG内侧使用凸面和外侧使用凹面,可进一步抑制翼型失速,效果优于平板型VG,更有利于提高翼型的气动性能;反之在VG内侧使用凹面和外侧使用凸面,会降低VG抑制失速的效果,低于平板型VG,不利于提高翼型气动性能。因此内凸外凹型曲面VG对于翼型失速具有最优的效果。

对内凸外凹型曲面VG进一步优化,通过对比不同弧高的影响,发现翼型气动性能的提升随弧高的增加呈现先提升后减弱的现象,当内凸外凹型曲面VG底部曲线的弧高为4 mm时,提升翼型气动性能的效果最好。