风力机叶片翼型的气动特性研究.pdf

2 0 1 3年第 4 1卷第 8期 流体机械 3 l 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 80 0 3 1 0 4 风力机叶片翼型的气动特性研究 海几哲 ， 孙文磊 。 周玉俊 新疆大学， 新疆乌鲁木齐 8 3 0 0 4 9 摘要 选取 8 1 8叶片翼型进行二维几何模型， 采用适合翼型流动的 S p ala r t A l l m a r a s 湍流模型， 对 B a s e 翼型和9 5 ％ 弦长处带 Mi c r o t a b的翼型进行数值模拟分析 ， 得到在不同攻角下的升阻比、 表面压力和速度矢量图。从流场计算结果看 出9 5 ％弦长处带 mi c r o t a b的翼型在0 。 到 1 2 。 攻角范围内气动性能有明显提高； 带 m i c r o t a b的翼型改变了后驻点位置， 使 其出现在了mi e r o t a b末端， 增加了气动曲面环量， 从而增加了翼型升力。 关键词 风力机； 翼型； m i c r o t a b ； 气动性能 中图分类号 T H 4 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 3 ． 0 8 ． 0 0 7 S t u d y o n Ae r o d y n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c o f Bl a d e Ae r o f o i l of W i n d Tu r b i n e H A 1 J i z h e ， S U N We n l e i ， Z H O U Y u - j u n X i n j i a n g U n i v e r s i t y S c h o o l o f me c h a n i c a l e n g i n e e ri n g ， U r u m c h i 8 3 0 0 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t 1 1 1 e b l a d e a i rfo i l o f 8 1 8 Was s e l e c t e d t o e s t a b l i s h t wo - d i me n s i o n a l g e o me t r y mo d e l ， c h o o s i n g t h e S p ala r t A l l ma r a s t u r b u l e n c e mode l wh i c h s u i t t o a i r f o i l fl o w f o r n u me ric al s i mu l ati o n a n aly s i s of t h e B a s e a i r f o i l a n d t h e a i r f o i l w i t h mi c r o t a b a t 9 5 ％ c h o r d ． I t o b t a i n s t h e l i ft - d r a g r a t i o i n d i f f e r e n t An g l e o f a t t a c k、 s u rfa c e p r e s s u r e a n d v e l o c i t y v e c t o r d i a g r a m． F r o m t h e flo w fi e l d c alc u l a t i o n r e s u h w e c a n g e t t h a t t h e a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e h a s i n c r e a s e d o b v i o u s l y b e t w e e n 0 。a n d 1 2 。a t t h e a i r f o i l wi t h mi e r o t a b a t 9 5 ％ c h o r d； T h e a i rf o i l w i t h mi c r o t a b c h a n g e t h e r e a r s t a g n a t i o n p o i n t p o s i t i o n w h i c h e ffic i e n tl y i n c r e a s e d a e r o d y n am i - c al e i r c u l a t i o n． t h e r e b y e n h a n c i n g t h e a i r f o i l l i f t ． Ke y wo r d s w i n d t u r b i n e ； a e r o foi l ； mi c r o t a b； a e r o d y n am i c c h a r a c t e r i s t i c 1 引言 随着能源与环境问题 的 日益突 出， 世界各 国 都在大力发展新能源。风能具有无污染 、 可再生 的特点 ， 是 目前新能源 中最具代 表性 的一种。风 力发电机是风能利用的主要设备， 风能的利用效 率与风力机叶片翼型气动特性息息相关 。通过流 动控制提高风力机 的气动性 能， 对风力机发展具 有十分重要的意义。 国内外的研究者通过流动控制技术来实现控 制翼型气动特性的目的， 其中常用的方法有在翼 型后缘加载 G u r n e y襟翼或者在后缘附近上 下表 面加载 M i c r o t a b 。清华大学热能工程系和汕头大 学能源和环境研究所共同对二维叶片后缘襟翼的 升力进行了研究 J ， 并做了数值计算， 证明襟翼 对叶片升力的增升效果较明显 。而 M i c r o t a b这一 概念最早是 由 Y e n e t a h提出的， 这一概念涉及的 小插片位于翼型尾缘 附近并且垂直于翼型表面 ， 它的高度 与边界层为 同一量级 。插 片的 出 现改变了尾缘处的流动， 进而改变了翼型的空气 动力学特性。本文针对风力机叶片翼 型 8 1 8在 9 5 ％弦长处加 载 Mi c r o t a b前后 进行数 值模 拟分 析 ， 并对加载 Mi c r o t a b后 的翼型流场进行分析 ， 总 结 M i c r o t a b对翼型气动特性的影响。 2 叶片翼型及计算模型 流动控制方 程选用 定常不 可压 缩 N a v i e r一 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 4 修稿 日期 2 0 1 3一 o 4一O 1 基金项目 国家 自 然科学基金项目 5 1 0 6 5 0 2 6 ； 教育部博士点基金项 目 2 0 1 0 6 5 0 1 1 1 0 0 0 1 ； 自治区自然科学基金项 目 2 0 1 1 2 1 1 A 0 0 2 2 0 1 3年第4 1 卷第8 期 流体机械 3 3 a O 。 攻角 b 5 。 攻角 c 1 0 。 攻 角 d 1 5 。 攻角 图5 b a s e 翼型和9 5 ％弦长处加载 m i c m b翼型 在不同攻角下的压力分布对比 由图 5 a 可以看到 2种翼型的表面压力分 布几乎重合 ， 2种翼 型的前缘压力均 小于后缘压 力。由于后缘 曲率大 ， 外界来流对后缘尾端影响 较小， 因此加载了 m i c r o t a b也无法影响翼型周围 气流。由图5 b 可以看到来流碰到 m i c r o t a b时， 压力升高， 在 mi c r o t a b后部形成相对低压 区， 在翼 型的吸力面靠近尾缘处， 压力又增大， 由于 m i ． c r o t a b的存在 ， 降低 了压力 ， 使得 在靠近尾缘处 ， 吸力面上的压力小于压力面的压力 ， 迫使一部分 流体向压力面流动， 使得翼型的后驻点位置向压 力面偏移， 这说明襟翼改变了翼型环量的分布， 从 而改变了升力 。从 图 5 c 和 d 看出 5 。 攻角以 后加载 m i c r o t a b 的翼型的压力分布和5 。 攻角时相 似 ， 只是在 1 5 。 攻角以后 m i c r o t a b对压力分布的影 响减小 ， 这与上面分析的结果基本吻合 ， 进一步验 证了以上分析结果 。 3 ． 3 速度矢量图分析 图 6为 0 。 攻 角 到 l 5 。 攻 角 的 b a s e翼 型 和 9 5 ％弦长处带 mi c r o t a b翼型 的速度矢量 图， 现在 就速度矢量 图来分析两种翼 型流动结构上 的区 别 。从 图 6 a 、 b 可以看出当攻角 0 。 时 ， 来 流 到达叶片后速度发生分流 ， 一部分沿前缘 流动 ， 另一部分沿后缘流动， 两端速度迅速增加 距离 分流点三分之一翼型处速度显示为红色 。从 图 6 c 、 d 可 以看出当攻角为 5 。 时， 速度分离 点下移 ， 翼型后缘 m i c r o t a b受到翼型外界来 流的 影响 ， 在 m i c r o t a b后 部形成逆 时针 的分 离涡流 。 来流碰 到 m i c r o t a b时 ， 速 度 降低 ， 在 mi c r o t a b后 部形成相对低速区， 在翼型的吸力面靠近尾缘 处， 速度较大。从后面的几个图可以看 出随着 攻角的逐渐增 加 ， B a s e翼 型吸力 面上来 流脱 离 现象越来 越严 重 ， 涡 流强度 逐渐 增大 。当攻 角 增大到 1 5 。 时， 在吸力面的大部分区域， 绕翼型 的流动 不再 附体 ， 而是 从表 面分 离 出去。而带 mi c r o t a b的翼型产 生 的涡变 得像 一个 分离 的气 泡。当 mi c r o t a b产 生 的诱 导涡变 大到能影 响尾 缘 的时候 ， 将开始对升力和力矩起 作用 ， 分离点 出现在后缘 到分离点 出现在 mi c r o t a b末端 ， 这种 转变改变 了翼型库塔 条件 ， 因而 ， 有效 地增加 了 气动曲面轮廓和环量。在攻角过大以后由于阻 力变得很大 m i c r o t a b对叶片气动性能的改善作 用就不那么明显 了。 3 0 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 8， 2 01 3 通过对长距离输送管道无阀、 普通阀、 缓闭阀管路 系统的停泵水锤计算 比较， 得出泵 的去哪特性 曲 线数值差异对停泵水锤计算 的影响并不大 ， 相对 应的曲线几乎重合； 3 当实用泵 的比转速没有全特性 资料 时 ， 无论采用通用公式法还是采用就近取用先用泵全 特性去进行数据计算， 结果差别不大。 参考文献 金锥， 姜乃昌， 汪兴华 ， 等． 停泵水锤及其防护[ M] ． 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 0 4 ． 王学芳 ，叶宏开，汤荣铭， 等． 工业管道 中的水锤 [ M] ．北京 科学出版社 ， 1 9 9 5 ． Wy l i e E B， S t r e e t e r V L ， 著． 清华大学流体传动与控 制教研组， 译． 瞬变流[ M] ． 北京 水利电力出版社， 1 9 83． 路胜． 水泵通用全特性曲线的计算机仿真[ J ] ．流 体工程，1 9 9 3 ， 2 1 3 2 0 - 2 3 ． 福克斯 ， 著， 陈祖泽， 译． 管网中不稳定流动的水力 分析[ M] ． 北京 石油工业出版社，1 9 8 3 ． 胡晓阳， 余波， 郭靖 ， 等． 水泵全特性曲线预测模型 可视化方法研究[ J ] ．流体机械， 2 0 1 2 ， 4 0 3 3 7 39． Ya n g J i a n d o n g ， Wu Ro n g q i a o ． On B a s i c E q u a t i o n o f Wa t e r H a mm e r [ J ] ． J o u rna l o f H y d r o d y n a m i c s ，1 9 9 6 ， S e r ． B， 8 2 6 2 - 7 1 ． 朱满林， 张晓宏， 张言禾， 等． 离心泵去特性曲线预 测模型研究[ J ] ．西北农林科技大学学报，2 0 0 6 ， 3 4 41 4 3 - 1 4 6 ． [ 9 ] 王芳群， 李岚， 伍琴琳， 等． 无负压供水系统 中水泵 水锤的瞬态分析[ J ] ．流体机械， 2 0 1 0 ， 3 8 2 3 3 3 6． [ 1 0 ]李春曦，叶学民，吕玉坤， 等．基于逆推法的并联 泵性能曲线的绘制[ J ] ．流体机械， 2 0 1 0 ， 3 8 1 0 2 0- 2 4． [ 1 1 ]刘光临， 蒋劲，符向前． B P神经网络法预测水泵全 性能睦线的研究 [ J ] ．武汉水利 电力大学学报， 2 0 0 0 ， 3 3 2 3 7 3 9 ． [ 1 2] Wy l i e E B， S t r e e t e r V L ．F l u i d T r a n s i e n t s[ M] ． Mc g r a w- Hi l l I nt e r na t i o n a l Bo ok Co mPa n y，1 9 78 ． [ 1 3 ]郑铭，陈池，袁寿其． 水锤数值计算的全特性曲线 法[ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 0 ， 5 4 2 - 4 5 ． [ 1 4 ]刘竹溪， 刘光临． 泵站水锤及其防护[ M] ．北京 水 利 电力 出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 1 5 ]周云龙， 洪文鹏， 孙斌． 复合管道气液固三相流浆体 水击压强和水击波速计算[ J ] ．工程热物理学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 1 2 0 9 -21 2 ． [ 1 6 ]周云龙， 洪文鹏， 孙斌． 考虑含气量变化的浆体水击 基本方 程[ J ] ．水 动力学研 究与进 展，2 0 0 5 ，2 0 5 6 5 4 - 6 5 9 ． [ 1 7 ]冷建成， 刘扬， 周 国强， 等． 基于光纤光栅传感的管 道应力监测方法研究[ J ] ． 压力容器， 2 0 1 3 ， 1 7 0 - 7 4． 作者简介 周云龙 1 9 6 0一 ， 男 ， 博士 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主 要从事液 一固两相 流研究 。通讯 地址 1 3 2 0 1 2吉林 吉林市 东北 电力大学长春路 1 6 9号 。 上接第 3 4页 [ 3 ] 汪建文， 贾瑞博， 吴克启． 小翼对风力机叶片表面压 力分布的影响[ J ] ． 工程热物理学报， 2 0 0 6 ， 2 7 5 7 6 0 - 7 6 2 ． [ 4 ] 刘雄， 陈严 ， 叶枝全． 增加风力机叶片翼型后缘厚度 对气动性能的影响[ J ] ． 太阳能学报， 2 0 0 6 ， 2 7 5 4 8 9 -49 5 ． [ 5 ] B a r k e r J P ， S t a n d i s h K J ， D am C P ． T w o - D i me n s i o n a l W i n d T u n n e l a n d C o mp u t a t i o n a l I n v e s t i g a t i o n o f a Mi - e rot a D M o d i 2 fi e d [ J ] ． J o u rnal ofA i r c r a f t ， 2 0 0 7 ， 4 4 2 5 6 3 - 5 7 1 ． [ 6 ] 李隆键， 张义华， 唐胜利． 风力机翼型边界层分离流 动三维特性的数值模拟 [ J ] ． 重庆理工大学学报， 2 0 1 0， 2 4 9 4 1 -4 6 ． [ 7 ] 周俊杰， 徐国权 ， 张华俊． F L U E N T工程技术与实例 分析[ M] ． 北京 中国水利水 电出版社， 2 0 1 0 1 5 1 - 1 5 5． [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 李银然， 李仁年， 王秀勇， 等． G u r n e y襟翼对风力机 专用翼型气动性能的影响[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 3 2 6 ． 王菲， 吕剑虹， 王刚． 翼型厚度对风力机叶片翼型气 动特性的影响[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 1 1 1 5 ． 杨晓翔， 龚凌诸 ， 陈仲波． 球罐环焊缝接头残余应 力的三维非线性有限元分析[ J ] ． 压力容器 ， 2 0 1 2 ， 2 9 5 3 4 3 8 ， 4 8 ． 谢海 ， 郑小珍， 彭小勇． 恒压集束管式风力送丝装 置的设计与应用[ J ] ． 包装与食品机械， 2 0 1 2 ， 6 4 0． 71 - 7 4． 作者简介 海几哲 1 9 7 8一 ， 女 ， 博 士研究生 ， 主要研究 方 向 为大型风力机叶片翼型气动控制方法的研究， 通讯地址 8 3 0 0 4 9 新疆乌鲁木齐市新疆大学机械工程学院。 1 1 1 j 1 J 1j l二