来流攻角对叶片脱体涡脱落频率的影响

王海洋　田晓庆　潘玉鹏

摘 要：对于绕流问题的研究，涡的脱落频率是一个重要的參数，它是用来衡量流场的周期变化程度。为了研究来流攻角对叶片后脱体涡脱落频率的影响，分别对相同速度、相同的叶片长度、来流攻角分别为±30°、±45°、±60°的叶片进行数值模拟。计算表明：脱体涡的脱落频率随着叶片安装角度绝对值的增大而减小，安装角度的正负对脱落频率的影响很小，可以忽略不计。

关键词：脱体涡；脱落频率；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.032

1 前言

在空气动力学中以及水动力学中，流体机械内的流动分离是一种常见的现象。而流动分离会使得流体机械的工作效率大大的降低，叶片扰流器是一种结构简单的装置可以有效的减小流动分离区域，进而使得流体机械的效率提高[1]。叶片后脱体涡的脱落频率对叶片改善流体机械的性能有很大的影响，基于此，本文研究不同来流攻角叶片后脱体涡脱落频率的变化。

2 物理模型和网格的划分

根据端木玉 [2]等学者对绕流问题的研究表明，在低雷诺数的情况下，可以把三维的绕流问题简化为二维。鉴于此，叶片的物理模型如下图（图1）所示：叶片长度为L，叶片与来流方向的夹角计为β，并将叶片顺时针旋转为规定为正角度。叶片距离进水口的距离为10L，与出水口的距离为30L。研究区域为：40L×10L的二维平面。计算过程中出口条件设置为outflow，叶片设置为wall，工作介质为20℃水。根据上述物理模型使用pointwise进行网格的划分。由于叶片附近以及叶片后尾流区流场变化迅速且尾涡特征比较复杂，需要高质量的网格。靠近叶片的网格相对比较密其余部分网格逐渐稀疏，在保证计算不失真的情况下一定程度上减少网格的数量，提高计算的效率。下图（图2）为计算域的整体网格：

3 计算结果与分析

尾涡的脱落频率是一个重要的参数，它是用来衡量流场的周期变化程度。为了研究脱体涡的脱落频率，在计算的过程中在叶片后设置监测点，检测该点的速度随着时间的变化，不同的叶片攻角选择的监测点略有不同。得到监测点的速度V随时间t的时域图后，通过origin进行快速傅里叶变换（FFT）得到频谱图，如下图（图3）所示：按照同样的方式对6种工况下的频率进行计算整理可得下表（表1），从表中可得随着叶片攻角绝对值的增大，叶片后脱体涡的脱落频率减小，攻角为30°的时候脱落频率大约为60°的两倍。而攻角为-30°和30°、-45°和45°、-60°和60°时脱落频率几乎相同。

4 结论

为提高叶片扰流器应用和推广，研究了理想状况下不同攻角叶片后脱体涡的脱落频率，依次分析了流速为0.02m/s时，VG叶片长度为2cm，来流攻角为±30°、±45°和±60°下，所产生脱体涡的脱落频率。研究结果表明：

（1）安装角度的正负性对单叶片产生的脱体涡的脱落频率影响很小。

（2）脱体涡的脱落频率随着叶片攻角的绝对值增大呈现减小的趋势。

参考文献：

[1]宋娟娟，徐宇，徐建中.叶片扰流器对风力机性能影响的数值研究[J].工程热物理学报，2012，V33（03）：405-407.

[2]端木玉，万德成.雷诺数为3900时三维圆柱绕流的大涡模拟[J]. 海洋工程，2016，34（06）：11-20.

项目基金：浙江省自然科学基金资助项目（LQ17E090007）；国家自然科学基金资助项目（51709070）；浙江省重点研发计划项目（2018C04002）

作者简介：王海洋（1993-），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向：计算流体力学。

*为通讯作者