大攻角下开缝位置改变对风力机叶片影响研究

王 龙, 孙伦业, 张 瑾

(安徽理工大学 机械工程学院,安徽 淮南 232001)

大攻角下开缝位置改变对风力机叶片影响研究

王 龙, 孙伦业, 张 瑾

(安徽理工大学 机械工程学院,安徽 淮南 232001)

风力机叶片在大攻角条件下存在着严重的流动分离现象,降低风电机组的发电效率,文章采用计算流体力学方法研究开缝位置改变对风力机叶片性能的影响。研究结果表明:在一定攻角范围下,射流会改善流动状况,缩小涡旋结构影响区域;开缝位置位于分离点附近时,气动性能最好,随着射流位置后移,其控制效果减弱,即使射流位置位于回流区,仍可减弱回流区影响范围与强度;射流有利于提高叶片升力系数,改善大攻角下叶片气动性能及稳定性。

射流;计算流体力学;风力机叶片;附面层控制

0 引 言

风力机叶片作为风电机组的重要工作部件,其气动性能高低直接关系到发电功率输出。在来流大攻角条件下,风力机叶片会存在明显的流动分离现象,对水平轴风力机而言,其升力系数会严重下降。因此在非工况设计条件下,其空气动力学问题应是研究重点之一[1-2]。

计算流体力学方法[3-5]可以较高精度地再现风力机运行过程中的流场拟序结构,可处理其遇到的复杂流动问题。因此随着现代计算能力的迅速发展,计算流体力学在风力机气动性能分析中占据的地位和作用愈加重要和明显。

风力机叶片的边界层流动在大攻角下抗逆压梯度能力较弱,存在严重的流动分离现象,从而对风力机升阻比及安全稳定性造成严重影响。通过流体控制手段改变附面层相干结构,较大程度减小涡旋结构影响区域,提高风力机运行安全及稳定性,无疑具有重要意义。

文献[6]对合成射流控制圆柱分离进行实验研究,研究结果表明在不同雷诺数下合成射流均能改善圆柱绕流的分离状况。

在叶片流动分离机理研究方面,国内外学者均进行相对深入的研究。文献[7]对NACA0015 翼型进行射流试验,研究表明在低马赫数条件下,射流可以提高升力系数,改善流动状况。文献[8]对低雷诺数下机翼翼型的前缘流动分离机进行研究,发现前缘椭圆弧靠近叶身位置存在吸力峰,并在强逆压梯度作用下发生流动分离;翼型上表面涡系结构包含驻留涡、脱落涡和二次涡,具有强烈的非定常性。

文献[9]对低雷诺数下多孔分布式抽吸结构对流动分离的控制进行相关研究,结果表明通过在翼型前缘附近合适位置进行附面层抽吸,可以抑制流动分离。

风力机叶片表面开缝示意图如图1所示。

图1 风力机叶片表面开缝示意图

本文采用计算流体力学方法研究开缝位置改变对风力机叶片性能的影响,获取不同攻角下的叶片流场及升力系数,讨论了4种不同开缝位置对流场及气动性能的影响,可为非工况条件下风力机叶片设计提供参考依据。

1 控制方程及湍流模型

自然界所存在的流体满足质量守恒、动量守恒和能量守恒三大规律,在忽略彻体力和源项的条件下,其数学积分的表现形式为:

(1)

(2)

(3)

其中,Ω为空间内任一控制体的体积,由闭合曲面边界∂围成;ρ、v分别为密度和速度矢量;q为热流矢量；et为流体的总能量；n为曲面的法矢量；π为应力张量的大小,其牛顿流体的本构方程为:

(4)

S-A模型为文献[10]提出的一方程湍流模型,该方程在压声速和跨声速流动领域中的翼型及机翼应用广泛,但由于其只含1个湍流变量,相对于其他2个方程模型来说计算量和耗时均较小。不引入转捩项的守恒型输运方程可改写为:

(5)

其中,Cb1=0.135 5;σ=2/3;Cb2=0.622;K=0.41;υ为流体黏度；其余符号表达意思可参见文献[10]。

2 模型及网格

根据开缝位置不同(缝所在位置分别为0.5、0.6、0.7、0.8 m处),依次命名为model-1、model-2、model-3、model-4,其中,model-0表示原型模型,即未开缝。本文计算所采用模型如图2所示,为简单起见,仅给出了原始模型model-0及开缝位置x=0.5 m的model-1的对比。

图2 风力机叶片模型及开缝模型

计算域划分图如图3所示,计算域的上下边界为15倍弦长,为保证网格的正交性,计算域前部采用“C”结构,流体出口边界距离原点为30倍弦长。边界条件由远场及壁面组成。网格示意图如图4所示,包括整体网格及风力机叶片前后缘局部网格,近壁面第1层网格距离壁面约为1.0×10-5m,总的网格数约为8×104个。

图3 计算区域

图4 网格示意图

3 计算结果

为保证计算结果的正确性和合理性,本文首先对有实验结果的S809原型叶片进行计算。来流空气的马赫数为0.12,雷诺数为2×106。其计算所获取的壁面压力系数如图5所示,其中,实验结果为文献[11]所测量的实验值;计算结果为采用课题组自行开发的软件[12]所模拟的结果,可见两者数据吻合较好。

图5 叶片壁面压力系数

本文计算条件如下:① 计算攻角范围为12°～20°,如图6所示,计算间隔角度为2°;② 对4个位置(X=0.5、0.6 、0.7 、0.8 m)的开缝及原型模型计算,且缝宽均为2 cm、喷射角度为0°角;③ 风速约为40 m/s,远场压强为72 465 Pa,缝进口压力为74 000 Pa。

图6 计算攻角示意

升力系数对比如图7所示,其中,图7a所示为4种不同开缝位置模型及原始模型叶片在攻角为12°～20°条件下的升力系数计算结果,从图7a中可以看出,开缝后叶片升力系数均比原型叶片的升力系数增加较多,其无量纲增加的幅度均在0.2以上;图7b所示为不同开缝模型升力系数对比,其中,model-1(X=0.5 m)气动性能相对最高; model-2性能次之;model-4性能相对最差,与原始模型“model-0”相当。从升力系数随攻角的变化可以看出,随着开缝位置后移,其升力系数逐渐下降,静态失速角前移。model-1与model-2在12°～16°之间升力系数几乎一致,随着攻角增加,model-2的升力系数从1.64降到1.18。

model-1的最大升力系数为1.71,其失速角为18°;model-2的最大升力系数为1.67,在攻角为16°出现,较model-1的最大升力系数小0.04;model-3的最大升力系数为1.58,在攻角为16°发生,较model-1的最大升力系数小0.13;model-4的最大升力系数为1.40,在攻角为12°出现,较model-1的最大升力系数小0.31,随后升力系数随攻角增加而下降。

图7 升力系数对比

18°攻角下不同开缝位置叶片的流场分布如图8所示。从图8可以看出,在加入射流以后,model-1、model-2的流场均没有出现流动分离现象,并且流场分布大体相似;而model-3、model-4在叶背后半部的吸力面上方出现涡旋结构区域。对比图8c、图8d流场分布还可以看出,随着射流起始位置后移,其改善流场状态的能力进一步削弱,涡旋影响区域显著增加。在回流区的影响下,model-3和model-4的升力系数均开始下降,下降幅度在0.34以上,小于model-1、model-2的升力系数。

18°攻角下开缝叶片与原型叶片的流场分布对比如图9所示。从图9可以看出,2种模型在较大攻角下其流场出现截然不同的流动现象,其中,model-1在射流的作用下不再出现回流区,model-0在叶背后半部吸力面上方出现更大的漩涡区域,并出现尾缘涡并向下游脱落。开缝与原型叶片回流区位置流场如图10所示,对比图10a、图10b可以发现分离点位于射流起始位置附近,附加的高能流体从回流区上游出发,迫使涡旋结构出现破碎,大涡分解为若干小涡,同时增加附面层低能流体所携带的能量,减小附面层厚度,最终达到消除分离回流区的目的。观察流场还可以看出,相同攻角下,叶背处漩涡区域的存在会降低气动性能。

图8 攻角18°下不同开缝叶片流线

18°攻角下model-0(原型叶片)与model-1(开缝叶片)压力系数对比如图11所示,从图11可以看出,在加入射流后,压力面上的压力系数分布差别较小,吸力面上的压力系数出现较大不同。原因在于射流出现后,吸力面的流体加速向下游流动,压强变小,从物理角度来看则是“等效”增加了叶片的弯度与环量,起到增升效果,即压力系数曲线所包含的面积增加,升力系数变大。

图9 开缝与原型叶片流场对比

图10 开缝与原型叶片回流区位置流场

图11 开缝与原型叶片压力系数对比

通过上述分析可以看出,引入高能气流在狭缝出口处形成射流,迫使下游附面层低能流体获取能量,改善附面层流动状态,对叶片在大攻角下出现的大尺度漩涡及后缘涡起到一定的削弱和清除作用,提高叶片的气动性能。

4 结 论

本文采用计算流体力学方法对4种不同开缝位置风力机叶片进行数值模拟,获取了不同攻角下的叶片流场及升力系数,并讨论了开缝位置对流场及气动性能的影响,所得结论如下:

(1) 在来流攻角12°～20°条件下,开缝模型性能均优于原始叶片模型,其中,model-1气动性能相对最高,其最大升力系数为1.71,较原始模型提高28.6%,失速角为18°。

(2) 大攻角下,射流会抑制流动分离现象发生,但与射流位置密切相关。开缝位置位于分离点附近时,气动性能最好,随着后移,其控制效果减弱,即使射流位置位于回流区,仍可减弱回流区影响范围。

(3) 射流可以增加叶片气动性能的稳定性。高能气体出口处附近形成高速射流,扫掠附面层低能流体,有利于削弱和清除吸力面上的大尺度涡旋结构及尾缘涡,可以提高风力机机械性能。

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(责任编辑 张 镅)

Study of the impact of the change of slotted position at high angle of attack on wind turbine blades

WANG Long, SUN Lunye, ZHANG Jin

(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

There is serious flow separation phenomenon for the wind turbine blade in the condition of high angle of attack that reduces the power generation efficiency of wind turbine. The impact of the change of the slotted position on wind turbine blades was studied by using the computational fluid dynamics. The result indicated that the jet improved the flow situation, reducing the affected area of the vortex structure, under a certain range of the angle of attack. The aerodynamic performance was the best when the slotted position was located near the separation point. The control effect was weakened with the jet position moving backward. Even if the jet was located in the recirculation zone, the scope and intensity of the recirculation zone could be reduced. The jet could improve the lift coefficient of blades and improve the aerodynamic performance and stability of blades at high angle of attack.

jet; computational fluid dynamics; wind turbine blade; boundary layer control

2016-02-29；

2016-07-04

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51505003);安徽省自然科学基金资助项目(1708085QE123;1708085QA17;1508085QE94);安徽理工大学国家自然(社会)科学基金预研资助项目(10029);安徽理工大学青年教师科学研究基金资助项目(12664)和安徽理工大学引进人才科研启动基金资助项目(ZY041)

王 龙(1984-),男，安徽蚌埠人,博士,安徽理工大学讲师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.08.006

TK83

A

1003-5060(2017)08-1037-05