风力机叶片三角襟翼构型及气动特性数值研究

陈志刚， 李焜林， 杨 波， 李茂东， 卢绪祥

(1.广州特种承压设备检测研究院，广州 510663；2.长沙理工大学 能源与动力工程学院，长沙 410114)

近年来，由化石燃料造成的环境污染日益严重，清洁能源越来越受到重视。全球的风能资源利用率小于1%，风力发电是一种能量转换率不到60%的清洁能源。在风力发电上，国内外政府均大力扶持补助。截至2017年3月，我国风力发电设备容量达151.39 GW，同比增长12.9%，因此如何提高风力发电机组效率是当今的热点问题。风力机叶片翼型的设计对机组发电效率有极大的影响，美国国家航空咨询委员会(NACA)早期开发了一系列翼型用于航空航天，由于NACA翼型属于低速翼型，且具有较高的升力系数和较低的阻力系数[1]，现在普遍应用于风力发电叶片翼型的设计制造上。Liebeck[2]最早提出襟翼，后续研究者对其进行了大量研究和优化。王妙香等[3]将襟翼应用于水陆两栖飞机翼型尾缘，并对不同高度和偏度的襟翼进行了气动分析。李润杰等[4-5]将襟翼应用于水轮机叶片翼型尾缘，研究不同襟翼长度对翼型水动特性的影响。周云龙等[6]将襟翼应用于风力机叶片翼型尾缘，研究了不同几何形状尾缘襟翼的气动特性，发现三角襟翼的气动性能相对最佳。目前襟翼广泛应用于各个学科[7-11]，在风力机叶片制造行业中，叶片翼型襟翼镶嵌和改造的技术尚未成熟。笔者在现有研究的基础上，进一步研究三角襟翼在不同长度和宽度下的气动特性，并与原始翼型进行对比分析，得出最佳尺度的三角襟翼，从而提高了风力机叶片翼型的气动效率。

1 计算模型及前处理

选取NACA 4412翼型，此翼型具有中等厚度和弯度，且有良好的气动性能，在风力机叶片翼型中研究较为广泛。翼型弦长C为1 m，将翼型尾缘弦长的5%作为三角襟翼生成部分，沿水平方向厚度为襟翼宽度D，沿竖直方向厚度为襟翼长度L，三角襟翼宽度D和长度L值分别取1%、2%、3%、4%和5%倍的弦长值，生成襟翼类型为D%C_L%C，翼型襟翼如图1和图2所示。

图1 三角襟翼不同宽度局部示意图

在外流场数值模拟条件中选用SSTk-ω模型，该模型对壁面网格距离尺寸的精度要求高，需对翼型壁面附近网格进行加密处理。入流空气设定为理想空气，进口条件给定为速度进口，速度为13.6 m/s，出口条件给定为压力出口。为使边界条件中设置的压力均为绝对压力，设置流体域的操作压力为0 Pa，边界条件为远场压力，其中设置来流静压为标准大气压(101 325 Pa)和来流马赫数为0.04。根据风力机叶片实际工作迎风角度的范围，选取入流攻角α范围为0°～18°[6,9]。在计算收敛条件中，残差变化值降为10-3，流场即在定性上为达到收敛，无量纲的能量、组分残差应降为10-6，相邻迭代之间流场k、ω的残差值均降为10-6，符合收敛标准。

图2 三角襟翼不同长度局部示意图

网格划分是前处理中的关键部分，其质量的好坏直接影响计算精度和结果。在模型计算域中创建C型结构网格，为研究三角襟翼处的气动特性，将翼型与襟翼切成2个区域进行网格划分，对整个翼型和襟翼壁面网格进行加密，除襟翼部分外翼型吸力面和压力面各分布120个网格点，构建襟翼的三条直线分别切分三条关联直线，对其分布20个网格点。速度进口边界距翼型为20C，压力出口距翼型为30C，因此速度进口距翼型分布120个网格点，压力出口距翼型分布180个网格点，整个翼型近壁面最小网格尺寸为2×10-5C，整个外部流场网格节点数为80 322，翼型模型及前处理如图3和图4所示。

图3 翼型模型网格及边界处理

2 仿真计算结果及分析

2.1 襟翼长度对翼型气动特性的影响

图4 尾缘襟翼网格

将襟翼长度L分别设定为1%C、2%C、3%C、4%C和5%C，固定襟翼宽度D为1%C，模拟各襟翼长度下随攻角变化的气动特性，并与原始翼型进行分析对比。图5和图6给出了升力系数Cl和阻力系数Cd的分布，分析可知：

(1)添加后缘襟翼的翼型，其升力系数和阻力系数均增大。在同一攻角下，襟翼长度越长，翼型升力系数和阻力系数越大。当翼型攻角为8°时(普遍风力机叶片工作时的迎风角度)，原始翼型的翼型升力系数为1.289，襟翼长度为1%C、2%C、3%C、4%C、5%C的翼型升力系数分别为1.498、1.665、1.775、1.803和1.868。在原始翼型的基础上，升力系数的增大幅度分别为16.2%、29.2%、37.7%、39.9%和44.9%。在同一翼型攻角下，原始翼型和添加后缘襟翼的翼型阻力系数分别为0.013 04、0.019 55、0.023 87、0.033 07、0.045 17和0.048 28。在原始翼型的基础上，阻力系数的增大幅度分别为49.9%、83.1%、153.6%、246.4%和270.2%，阻力系数增大的幅度要远大于升力系数。

图5 不同襟翼长度下翼型升力系数的变化

图6 不同襟翼长度下翼型阻力系数的变化

(2)原始翼型和1%C襟翼长度翼型的失速攻角分别为14°和12°，而2%C、3%C、4%C和5%C襟翼长度的翼型在10°附近均已达到失速状态，表明随着襟翼长度的增加，翼型失速角度提前。

(3)原始翼型和1%C、2%C襟翼长度的翼型在16°攻角之后，升力系数均增大，攻角达到18°时增大幅度分别为16.7%、15.5%和8.8%。由此可知，原始翼型具有良好的失速特性，随着襟翼长度的增加，失速特性变差。当襟翼长度超过2%C时，翼型失去此特性，且当攻角超过10°时，同一攻角下襟翼越长，升力系数越小。

图7为不同襟翼长度下升阻比的变化。由图7可知，在襟翼宽度一定的条件下，增加襟翼长度不利于翼型整体的气动性能，同一攻角下襟翼长度越长，翼型的升阻比越小，襟翼长度为1%C时，翼型的气动性能更接近原始翼型。

图7 不同襟翼长度下翼型升阻比的变化

将5种不同襟翼长度翼型的最大升力系数、最大升阻比和失速攻角等气动参数进行对比分析,结果如表1所示，并采用正交表法对各参数进行分析。由表1可知，随着襟翼长度的增加，最大升力系数随之增大，但由于阻力系数也大幅度增大，导致升阻比急剧减小，失速攻角提前。由于1%C襟翼长度的气动性能较有优势，因此选取此长度襟翼，为研究不同宽度襟翼提供固定的翼型襟翼长度。

表1 不同襟翼长度下的气动参数

2.2 襟翼宽度对翼型气动特性的影响

固定翼型襟翼长度为1%C，分别研究襟翼宽度D为1%C、2%C、3%C、4%C和5%C时的气动特性。图8和图9分别为翼型升力系数和阻力系数的分布，分析可知：

(1)襟翼翼型的升、阻力系数整体上大于原始翼型。攻角相同时，随着襟翼宽度的增大，翼型升力系数增大，阻力系数减小，在此襟翼宽度范围内，宽度越大，越有利于翼型的气动性能。

(2)1%C和2%C襟翼宽度翼型的失速攻角均为12°，3%C、4%C和5%C襟翼宽度翼型的失速攻角延后到14°，说明翼型襟翼宽度越大，失速攻角越大，即越接近原始翼型的失速攻角。翼型达到失速后，襟翼宽度越大，升力系数减小幅度越平缓，说明襟翼宽度越大，失速特性越好。

(3)当攻角小于10°时，5种宽度襟翼翼型的升力系数相差不大，当攻角大于10°时，襟翼较窄翼型(1%C、2%C襟翼宽度)的升力系数损失明显，襟翼较宽翼型(3%C、4%C和5%C襟翼宽度)的升力系数变化不大。

图8 不同襟翼宽度翼型升力系数

图9 不同襟翼宽度翼型阻力系数

由图10可知，相同攻角下襟翼宽度越大，整体上翼型气动性能越优，且襟翼较宽翼型的升阻比更接近原始翼型，在低攻角下(α<7°)，5%C襟翼宽度翼型的升阻比大于原始翼型。

图10 不同襟翼宽度翼型的升阻比

如表2所示，采用正交表法对各气动参数进行分析。由表2可知，随着襟翼宽度的增大，翼型最大升力系数随之增大，且最大升阻比大幅度增大，在襟翼宽度为5%C时，最大升力系数和最大升阻比均大于原始翼型数据。故选取5%C襟翼宽度为最佳襟翼宽度。

表2 不同襟翼宽度下的气动参数

2.3 流场压力分析

分析可知，5%C_1%C型为最佳襟翼。为进一步论证，选取具有代表性的翼型襟翼进行对比。图11～图13为原始翼型与1%C_1%C、1%C_5%C、5%C_1%C型分别在攻角α为0°、8°和16°下的翼型表面压力分布。攻角为0°时，襟翼翼型表面压力差大于原始翼型，1%C_5%C型的差值相对较高，这是因为襟翼的添加使得翼型整体结构弯度增大，翼型表面压力差增大，因此襟翼翼型相对具有较大的升力系数；1%C_1%C和5%C_1%C型表面压力差曲线几乎重合，但后者具有较宽的襟翼，进而使表面压力面积增大，整体表面压力差增大，从而提升翼型的气动性能。攻角为8°时，翼型压力面中部压强整体提升，吸力面前缘压强减小较为明显，翼型表面压力差进一步增大。攻角为16°时，5%C_1%C型前缘1/2处表面压力差均高于其他翼型，其他翼型吸力面中部区域压强增大相对平缓，即压强差减小使得升力系数减小。从襟翼宽度特性方面分析，对比1%C_1%C和5%C_1%C型，发现1%C_1%C型的尾缘襟翼上方压力均较大，说明增大襟翼宽度，尾缘上方压力减小。从襟翼长度特性方面分析，对比1%C_1%C、1%C_5%C型，在大攻角下较长襟翼翼型的前缘吸力面压力较大，这是因为长襟翼处产生回流涡动，使得绕流速度相抵，致使翼型吸力面表面压力增大。

图11 攻角α为0°时各襟翼翼型的压力分布

图12 攻角α为8°时各襟翼翼型的压力分布

图13 攻角α为16°时各襟翼翼型的压力分布

3 结 论

(1)添加不同长度和宽度的襟翼对翼型的气动特性均有显著影响。襟翼长度增加，虽提升了翼型的升力系数，但阻力系数也大幅提升，不利于翼型气动特性的改善。襟翼宽度增加，不仅提升翼型的升力系数，同时也降低了阻力系数。

(2)襟翼长度过长，使得翼型失速攻角提前，且失速特性变差，增大襟翼宽度可使失速攻角延后，且具有良好的失速特性，适当减小襟翼长度和增大襟翼宽度，有利于改善翼型的气动性能。

(3)在研究范围内，5%C_1%C型为最佳襟翼翼型。利用翼型尾缘段5%的弦长提供襟翼安装空间，不仅提升了翼型的气动特性，也有效地节省了襟翼的制造材料。

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