尾缘厚度对风力机翼型气动性能的影响.pdf

2 0 1 2 年第 4 0卷第4期 流体机械 1 3 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 2 0 4 0 0 1 3 0 3 尾缘厚度对风力机翼型气动性能的影响 李仁年 。 陈寅 1 ． 兰州理工大学， 甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 ； 2 ． 甘肃省风力机工程技术研究中心， 甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 利用 C F D软件对 D U 0 0一W一 2 1 2翼型进行数值计算， 验证了 S S T k一【 o湍流模型在 C F D数值计算中的合理 性。通过 P r o fi l i 中的修型功能， 分别增大翼型尾缘的上下翼面厚度。分析了在雷诺数R e 31 0 情况下， 尾缘厚度对气 动特性 的影响趋势及机理 。 关键词 风力机 ； 翼型； 尾缘厚度； C F D 中图分类 号 T K 8 3 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 2 ． 04． 0 0 4 Effe c t o f Tr a i l i ng Ed g e Thi c k ne s s O i l Ae r o d yn a m i c Pe r f o r m a nc e L I Re n ． n i a n 一 ． CHEN Yi n ’ 1 ． L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a ； 2 ． G a n s u P r o v i n c e Wi n d T u r b i n e E n g i n e e ri n g R e s e a r c h C e n t e r ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T o p r o v i n g t h a t t h e S S T ks i s t a k e d a s t h e C F D n u me r i c a l mo d e i s o f t u r b u l e n c e r e a s o n a b l y ，u s i n g C F D s o f t w are f o r DU O 0 一W 一2 1 2 a i rf o i l 。T h e t h i c k n e s s o f t h e u p p e r a n d l o we r s u r f a e e o f t r a i l i n g e d g e i s i n c r e a s e d b y P r o fi l i ．E f f e c t o f t r a i l i n g e d g e t h i c k n e s s o n a e r o d y n a mi c p e rf o r ma n c e a n d p n e u ma t i c a n a l y s i s e a n b e s t u d i e d a t R e31 0 ． Ke y wo r d s w i n d - t u r b i n e ；a i rf o i l ； t r a i l i n g e d g e t h i c k n e s s ；C F D 1 前言 风能是 目前最有开发利用前景和技术最成熟 的一种新能源和可再生能源 J 。据推算 ， 在 l O m 高我 国风能理论资源储量为 3 ． 2 2 61 0 W。实 际可供开发的量按 3 ． 2 2 61 0 W 的 1 ／ 1 0估计 ， 则可开发量为 3 ． 2 2 61 0 “ W J 。 风力机专用翼型作为风力机 叶片的基础， 已 经成为了风力机研究领域的一个重要课题 。这就 迫切需要我们了解新型风力机翼型的气动特性和 外形特点。通常的翼型往往有着尖尾缘， 而在叶 片的加工过程中是不可能达到理想的状态 。实际 的制造过程 中常出现尾缘钝化 的情 况 3 。 。 。刘 雄等提出适 当增加翼型的后缘厚度会改变翼型的 收稿 日期 2 0 1 1 0 62 7 基金项 目 “ 9 7 3 ” 重点基础研究发展计划 2 0 0 7 C B 7 1 4 6 0 5 气动性能， 升阻力都会增加， 但是变化较小 】 。 李银然等发现尾缘下翼面厚度存在一个 临界值 ， 超过临界值的厚度会使尾缘产生强烈振动 。 本文采用 D U系列的翼型族为研究对象 ， 通 过用 F l u e n t 软件进行模拟 ， 得 到在雷诺 数 R e 3 1 0 时不同攻角下 的气动特性 曲线。分析尾缘 厚度对翼型气动性能的影响。并通过尾缘上下翼 面分别增厚的办法， 对比尾缘的流场， 分析翼型气 动特性曲线变化机理。 2 研究对象和方法 D U系列翼型是荷兰某大学研制的， 它可以 应用到 6～ 6 0 m长的风机叶片。该系列 的翼型主 1 4 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ．4 0， No ． 4， 2 01 2 要应用于叶片的内侧。将 D U系列 的翼 型坐标数 据导人 P r o fi l i ， 利用 P r o fi l i 对 D U 0 0一W 一2 1 2的 尾缘进行加厚修型 ， 形成新的翼 型并导出坐标数 据 。分别增厚上下翼 面的尾缘厚度 。原翼型 A 翼型 ， 增厚上翼 面 B翼 型 ， 增厚下翼 面 C翼 型 。上下翼面分别增厚 0 ． 0 1 C ， 图 1示 出尾缘修 改前后的对 比。 X m 各方程均采用二 阶迎风离散格式 ， 进 口设定为速 度进 口， 压力和速度耦合采用 S I MP L E C算法 。边 界采用压力远场的边界条件 。 首先对 D U 0 0一W 一 2 1 2进行数值模拟 ， 升力 系数的模拟结果和试验值相 当吻合。阻力系数存 在偏差 ， 但是总体变化趋势和试验结果相似 ， 不影 响对翼型气动线性变化的判断 ， 如图 3所示。 图 1 改型前后翼 型的尾缘形状 翼型的数值模拟参数 由雷诺数确定 ＆ c ／ 取 1 m长 的翼型 弦长 ， 设定来流风速 为4 4 ． 6 0 m ／ s ； 密度和流体动力粘性系数设定为 1 ． 2 2 5 k g ／ m 和 1 ． 8 2 21 0 k g ／ m g s 。 3 数值计算方法 3 ． 1 网 格 的 划 分 应用 G a m b i t 软件建立结构性 C型 网格 。本 文主要研究翼型尾缘的厚度对气动性能 的影响 ， 而后缘的流动情况变化对数值模拟的影响很大 ， 所以对后缘附近的网格进行局部加密。翼型计算 网络如图 2所示。 图2 翼型计算网格 3 ． 2 湍流模型的选择边界条件设定 翼型在 G a m b i t 软件 中建模后 ， 初步选择边界 条件 ， 其网格划分 以 m s h网格 文件格式导 出 ， 并 输入 F l u e n t 软件 中。采用 S S T k一 1 湍流模 型 ， 0 7 l 9 。 a 升力系数 0 【 l b 阻力系数 图3 翼型 D U 0 0一W一 2 1 2的升阻力系数 通过数值计算 C F D 与 N R E L风洞试验数据 的对比可以得 出 S S T k一 I 湍流模 型的二维气体 模拟结果与试验值基本吻合， 部分误差不影响气 动性能的分析 ， 如图 4所示 。 3 ． 3 流场分析 从小攻角的情况下 取 0 。 的后缘 流线 图 5 可以看出 ， 增厚翼 型的尾流存在一对方 向相反 的旋涡存在 ， 交替脱落。而尖尾缘则不存在旋涡。 尾缘下翼面增厚的翼型， 尾流上 的旋涡呈对称分 布， 大小相近 ， 方 向相反。因此 ， 尾缘下翼面增厚 的翼型升力系数较原翼型的大， 且斜率变化不大。 对于尾缘上翼面增厚的翼型尾缘 ， 尾流存在两个 大小相差较大的涡流交替变化 ， 大旋涡对翼 型形 成下洗作用。因此造成升力系数的降低。 2 0 1 2年第 4 0卷第 4期 流体机械 1 5 1 ．4 一 1 ． 0 7 l 9 Ⅱ 。 a 升力系数 0 图 4 改型后升阻力系数的 比较 o b 阻力系数 二二二三 1 k 1 ‘ ● - 一． 一 - ． 一 一 a 尾缘上翼面增厚 b 尾缘下翼面增厚 c 尖尾缘 图 5 攻角为 0 。 的后缘 流线谱 在大攻角 的情况下 取 2 O 。 ， 3种翼型都进 佳的失速特性。通过 图 6 b 可以看出， 在上翼面 入了失速状态 ， 如图 6所示 。可以明显看 出， 尾缘 有两个大小相近， 方 向相反 的旋涡。随着攻角 的 下翼面增厚和尖尾缘 的翼型在进入失速 区后 ， 在 继续增大 ， 交替形成的旋涡会影响吸力面的压力 上翼面的形成的旋涡较小。意味着这两个翼型失 变化 ， 造成升力系数 的突变。可 以预见尾缘上翼 速的时候 ， 尾涡影响气动系数变化的能力小 ， 因此 面增厚的翼 型失速特性较差。 二者失速时的升阻力 系数 曲线较平滑， 即有着较 4结论 a 尾缘上翼面增厚 b 尾缘下翼面增厚 c 尖尾缘 图6 攻角为 2 0 。 的流场图谱 2 在攻角扩展 到失速 区域 后 ， 尾缘上翼面 加厚的翼型产生更 大的涡流 ， 形成更强的振动效 应 ； 1 翼型后缘下翼面增厚 ， 较上翼面增厚 的 的厚度 ， 可以优化翼型的气动参数 。 。 3 在振动许 可的范围内， 增加尾缘下翼面 气动性能变化要 明显且更有有优势 。增厚下翼面 尾缘厚度可以在层流区域提高升力系数 ； 下转第 3 0页 3 0 F L U I D MAC HI NE RY V o 1 ．4 0， No ． 4， 2 01 2 旋线型旋流器分离效率最高 ， 圆形 比矩形的分离 效率稍高； 3 在人 口含油率为 0 ． 1 ， 人 口流速为1 0 m ／ s ， 分流比为0 ． 2 ， 油滴平均粒径为 l O 0 m时， 数值模 拟发现入口位置靠上有利于油水分离。 参考文献 牟俊玲， 邱华 ， 葛明桥． 旋流器对环锭纺纱线性能的 影响 [ J ] ． 纺织学报 ， 2 0 0 9， 1 1 4 3 47 ． 邵涛， 乐宏刚． 分选磷矿用重介质旋流器的研究与 实践[ J ] ． 化工矿物与加工， 2 0 0 9 ， 1 0 1 3 ． 1 6 ． Ga o S h u l i n g ， L i X i a o a n， We i De - z h o u ， e t a 1 ．B e n e fi c i a t i o n o f l o w --g r a d e d i a s p o r i c b a u x i t e w i t h h y d r o c y c l o n e [ J ] ． T r a n s N o n f e r r o u s Me t S o c C h i n a ， 2 O O 8， 1 8 4 4 4 4 4 8 ． 袁建革． 重介选煤旋流器与渣浆泵的配套运行分析 [ 1 ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 8 ， 2 9 7 7 9 - 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9 7 ． C o l ma n D A， T h e w M T， Co me y D R．Hy d r o c y c l o n e s f o r Oi 1 ／ Wa t e r S e p a r a t i o n『 C] ．I n t e r n a t i o n a l C o n f e r ． e n c e o n Hy d r o c y c l o n e s ， 1 9 8 0 1 4 3 - 1 6 6 ． 丁旭明， 王振波， 金有海．两种入 口结构旋流器性 能对比试验研究[ J ] ． 化工机械， 2 0 0 5 ， 3 2 2 6 9 - 7 1 ． 李玉星， 冯叔初， 李安星． 水力旋流器压降及压力 分布特 性的数值模 拟 [ J ] ． 流体 机械， 2 0 0 2 ， 3 0 1 0 1 5 - 1 9 ． S h i - y i n g S h i ， Yi n g x i a n g Wu，J u n Z h a n g ，e t a 1 ． A S t u d y o n S e p a r a t i o n P e r f o rm a n c e o f a Vo r t e x F i n d e r i n a L i q u i d - L i q u i d C y l i n d ri c al C y c l o n e [ C ] ． 9 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Hy d r o d y n a mi c s ，Oc t o b e r 1 1 1 5， 2 0 1 0， S h a n g h a i 3 8 0 3 8 6 ． Or o p e z a - Va z q u e z C， Af a n a d o r E， Go me z L， e t a 1 ． Oi l -- W a t e r S e p ara t i o n i n a No v e l L i q u i d - L i q u i d C y l i n d r i c al C y c l o n e L L C CC o m p a c t S e p a r a t o r E x p e ri me n t s a n d M o d e l i n g [ J ] ．J o u rna l s o f F l u i d s E n g i n e e r - i n g， 2 00 4，1 26 55 3- 56 4． 袁运洪， 王伯尧． 水力旋流器的发展现状[ J ] ． 矿冶 工程 ， 1 9 8 3 ， 3 3 6 2 - 6 7 ． 作者简介 史仕荧 1 9 8 4一 ， 女 ， 在读博士 生 ， 研究方 向为工 程力学 ， 主要从 事应用 多相流方面 的研 究， 通讯 地址 1 0 0 1 9 0北 京市北四环西路 l 5号 中国科学院力学研究所 。 上接第 1 5页 参考文献 贺德馨． 风工程与工业空气动力学[ M] ． 北京 国防 工业出版社 ， 2 0 0 6 ， 7 7 ． 宫靖远． 风电场工程设计手册[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ， 2 4 ． 李俊峰， 施鹏飞， 高虎． 2 0 1 0年中国风电发展报告 [ M] ． 海口 海南出版社， 2 0 1 0 ， 2 ． 李德顺 ， 李仁年． 雷诺数对风力机专用翼型气动性 能影响的研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 0 9 ， 3 7 1 2 3 1 - 3 4 ． 张果宇 ， 冯卫民， 刘长陆， 等．6种风力机叶片翼型 的气动性能数值模拟研 究 [ J ] ． 可再再生能源， 2 0 0 9 ， 2 7 4 l 1 1 5 ． 李成良， 王继辉． 基于 a n s y s 大型风力机叶片建模研 究[ J ] ． 复合材料， 2 0 0 9 ， 3 2 5 2 ． 勒古里雷斯 D， 施鹏飞， 译． 风力机 的理论与设计 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 7 ， 3 6 ． 3 7 ． [ 8 ] 周志军， 林霞． 不同湍流模型在管道流动阻力 计算 中的应用和比较[ J ] ． 热力发电， 2 0 0 7 ， 1 1 0 ． [ 9 ] 姚志岗． 大型风力发电机叶片的设计研究 [ D] ． 保 定 华北电力大学 ， 2 0 0 8 ． [ 1 0 ] N I K O L A O U I G， P O L I T I S E S ， C HA V I A R O P O U L O S P K．Mo d e l l i n g t h e F l o w Ar o u n d A i rf o i l s e q u i p p e d w i t h V o rt e x Ge n e r a t o rs Us i n g A Mo d i fi e d 2 D N a v i e r S t o k e s s o l v e r [ J ] ．J o u rna l o f S o l ar E n e r g y E n g i n e e r i n g， 2 0 0 5， 1 2 7 2 2 3 - 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