Gurney襟翼对风力机叶片翼型气动特性影响的数值模拟.pdf

2 0 1 1年第 3 9卷第 6期 流体机械 2 1 文章编号 1 0 0 5 0 3 1 9 2 0 1 1 0 6 0 0 2 1 0 4 G u me y 襟翼对风力机叶片翼型气动特性影响的 数值模拟 王茜 ， 皇甫凯林 ， 徐璋 ， 钟英杰 浙江工业大学， 浙江杭州3 1 0 0 1 4 摘要 首先基于湍流模型对数值计算结果的影响， 分别采用 S p a l a r t A l l m a r a s S - A 和 S S T k - c o两种湍流模型对 N A - C A O 0 1 5翼型原型进行数值模拟， 对比后选用了更为合适本算例的 s ． A湍流模型。然后对添加不同高度 G u r n e y襟翼的 N A C A O 0 1 5翼型改型进行数值模拟， 高度分别为 1 ％c 、 2 ％c和4 ％c c为翼型弦长 ， 厚度为 2 m m。结果表明， 带有 G u r - h e y 襟翼的翼型升力系数及升阻比均比原型有显著增加， 并且明显改善了压力面和吸力面压力分布， 在襟翼高度为 2 ％ 翼型弦长时， 可达到稳态下最佳升阻比的输出效果。 关键词 N A C A O 0 1 5翼型； G u r n e y 襟翼；升阻比；升力系数 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 1 ． 0 6 ． O O 6 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n f o r t h e I l l nU e l l C e o fGu r n e y Fl a p O i l A ,e r o d , n a mi e Cl mr a e t e r l s t i e o fBl a de Ae r of o i l O fW i nd Tur bi n e WA N G Q i ． r , ，H U A N G F U K a i l i n， X U Z h a n g， Z HO N G Y i n g - j i e Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a Ah蛐哺c t F i r s t o f a l l ，s i n c e t h e t u r b u l e n c e mo d e l a ff e c t s n u me r i c a l r e s u l t s ，t h e N ACA O 01 5 a i r f o il i s s i mu l a t e d b y u s i n g S p a l - a r t Al l ma r a s a n d S S T k 一 ∞ mo d e l s s e p a r a t e l y ．T h e d i ff e r e n c e s b e t we e n t h e t wo t ll l b u l e n 3 e mo d e l s a r e c o mp a r e d．a n d c o me t o a In o r e a e e t l mt e S A t u l b u l e n c emo d e lt ot h i s a i rfo i l ．An dt h e n n u me r i c a l s i mu l a t i O I l S a r e c a r r i e d o u t f o rN AC A0 o 1 5 a e r o f o i l i n o d i ． e a l i o n w i t h d i ff e r e n t h e i g h t o f G u r n e y fl a p ， t h e h e i g h t o f t h e fl a p i s r e s p e c t i v e l y 1 ％c ． 2 ％c a n d 4 ％c c h o r d l e , l g t h o f b l a d e ， a n d t h i c k n e s s o f2 mm．T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e a e r o f o i l w i t h G u me y fl a p h a s s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e d l i f t c o e fl fi e i e n t a n d l i f t a r a g r a t i o c o mp a r e d wi t h a e r o f o i l p r o t o t y p e，a n d t h e p r e s s u r e d i s t r i b u ti o n s o f p r e s s u r e 8 t l lr f ll c e a n d 8 u c l J o n s u r f a c e a lr e n o t a b l y i mp r o v e d ． Wi t h h e i g h t o ft h e fl a p o f2 ％ c h o r d l e ． g t h．i t c a n a c h i e v e t h e o u t p u t i n t h e b e s t l i f t d r a g r a t i o u n d e r s t e a d y s t a t e ． Ke y wo r d s NAC A O 0 1 5 a e r o f o i l ；Gu me y fl a p；l i f t a r a g r a t i o；l i f t e o e t t l e i e n t 1 引言 垂直轴风力机叶片旋转一周的过程中， 随着 攻角的增大， 升力和升阻 比都将经历一个先增后 减的过程 ， 这主要是 因为阻力也会 随着攻 角的增 大而变大 ， 翼 型失速之后 ， 升力和升阻比都 因此迅 速下降。根据风力机性能的需要， 风力机翼型一 般要求在失速之前的流动附着区内有相对高的升 阻比， 以获得最大空气动力效率和功率输出。现 在对风机改型多针对对称翼型添加不同高度的襟 翼 ， 添 加 G u me y襟 翼 就 是 常见 的翼 型 改 型 方 收稿 日期 2 0 1 01 01 2 法⋯， 以期在相同攻角下提高升阻比。 本文在对 N A C A O 0 1 5原型进行模拟的基础上 确定了适合本算例的s A湍流模型， 然后对原型 添加不同高度的 G u me y 襟翼， 通过升力、 升阻比 及压力分布的对 比得到具有最佳升阻比输 出下的 襟翼高度 。 2 湍流模型的确定 在数值计算中， 使用不同的湍流模型会对模 拟结果造成很大影响。S ． A和 S S T k - c o 两种湍流 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ． 6， 2 01 1 模型是 比较适用于风力机叶片稳态绕流的湍流模 型 _ 2 J ， 因 此 分 别 采 用 这 两 种 湍 流 模 型 对 N A C A 0 0 1 5翼 型原型进行数值模拟 ， 同时文献[ 3 ] 的 实验数据确定适合本算例的湍流模型 ， 以用于后 续计算。 2 ． 1 模型创建 使用免费发布的 N A C A a e r o f o i l s e c t i o n软件 ， 首先生成四位数翼型 N AC A 0 0 1 5原型的一系列坐 标点 ， 经过格式转换后导人 G a m b i t 中建立二维模 型 。由于该对称翼型几何形状简单 ， 所 以采用 c 型结构化 网格 ， 整个 物理域 的尺寸为 3 2 ． 5 2 5 c c 为翼型弦长 ， 对翼 型周 围局部加密后 的网格 见 图 1 。 图 1 N A C A 0 0 1 5翼 型网格 图及 局部 放大图 2 ． 2控 制 方程 与湍 流模 型 这里只考虑 了翼型在静 态时 的绕流情况 ， 不 考虑翼型的俯仰运动或平行移动， 因此可选择稳 态 的 R AN S方程作为 流动的控制方 程。同时 ， 分 别采用 S A和 S S T k - c o 两种湍流模型处理湍流黏 度 。 2 ． 3 数值计算 将建好 的模 型导 人 F l u e n t中， 进 行数 值 求 解 。来流风速 V 3 5 m ／ s ， 弦长 c1 5 0 m m， 弦 长 雷诺 数 R 3 ． 6 X 1 0 ， 马赫 数 M。0 ． 1 5， 攻 角范围 0 。～2 0 。 ， 间 隔取 1 。 ， 通过 改 变 人 流 方 向来改变攻角 的大小 。采用 S I MP L E算法处 理 速 度和压力耦合 ， 各 种实变量 采用 二 阶迎风 差 分 格式进行离散 。为 了加 速收敛 ， 采用 了欠 松 弛技术 。在求解过 程 中 ， 除了监控 变量 的残 差 外 ， 还监控翼型升力 系数 和阻力 系数来 判定 求 解过程是 否收敛 。 2 ． 4结果讨论及分析 本文的数值模拟在雷诺数 3 ． 61 0 下进行 ， 攻角从 1 。 ～2 0 。 ， 基本覆盖 了流动 附着 和流动分 离的情形 。对 N A C A 0 0 1 5翼型原型分别采用 s A 和 S S T k - 0 0 两种湍流模型后 ， 升 、 阻力系数 随攻角 变化的曲线如图 2所示 。 1 ． 4 垛0 ． 7 0 3． 2 ． 6 删 0 O l 2 2 4 攻 角 o a升 力系数 O l 2 攻角 。 b阻力 系数 图 2两种湍流模型 F， 升 、 阻力系数的 比较 从结果来看 ， 在对失速攻角的预测上 ， 两种湍 流模型保持一致 ， 得 出的失速攻角都在 1 5 。 左右 ， 但是对翼型的升力系数估计过高， 计算模型预测 流动分离延迟 ， 随着攻角的增大， 计算结果与试验 值的差别加大， 失速攻角延迟了4 。 。但是在翼型 失速前 ， 不管是升力系数还是阻力系数采用 S A 湍流模型的模拟值都 比 S S T k - o湍流模 型更接近 试验值。从计算的实际过程来看 ， 由于 s A湍流 模型是单方程模型， 达到收敛所耗费的时间也要 比 S S T k C O 模型少。综上所述 ， 下面对翼型襟翼 增升的探讨将统一采用 s - A湍流模型。 2 0 1 1 年第 3 9卷第 6 期 流体机械 2 3 3 N A C A 0 0 1 5翼型改型的数值模拟 以 N A C A 0 0 1 5翼 型 为基 础 ， 在 其尾 部 添加 G u me y 襟翼 ， 襟翼 高度分别 为 1 ． 5 m m， 3 mm， 6 mm 弦长的 1 ％ ， 2 ％， 4 ％ ， 厚度为 2 m n l 。为了 使 N A C A 0 0 1 5 翼型原型的计算结果可以延用， 网 格 的划分 、 控制方程 、 数值条件等与前节一致 ， 添 加 2 ％c 襟翼 的局部放大 网格见图 3 。 图 3 加 2 ％ c 襟翼局部 网格 根据达里厄型垂直轴风力机的工作原 理 ， 无 穷远 出来流风速与翼型之 间的迎角永远不会超过 极限值 一 s i n ／ U 1 式中 无穷远处来流风速 ￡ 7 一风力机转动叶片圆周速度 对于 H型垂直轴风力机的布置情况 ， 可计算 出风力机运行在 8 i n ／ s时 ， 不 同尖速 比下的 最大相对攻角 A 3， 一1 9 ． 2 7。 A 4， 一1 4． 4 8。 A 5， 一 11 ． 5 4。 根据前人 的经验 ，H型垂直轴风力机输 出功 率最大时的尖速 比为 4左右 J ， 所 以本节中选定 攻角变化范围为一1 5 。～1 5 。 ， 间隔取 3 。 。下面 讨论在此范围内添加不 同襟翼高度对升力 系数 、 升阻 比及压力分布的影响。 3 ． 1 升 力 系数 从 图4可以看出 ， G u r n e y襟翼 的增升效果与 高度密切相关 。当攻角在 0～1 5 。 范围内变化时 ， 随着襟翼高度的增加， 翼型的升力系数都有一定 的提高。攻角在 一1 5 。～ 0范围内变化时 ， 由于反 向的襟翼阻碍了翼型吸力面流场的连续， 导致吸 力面压力变大， 降低了翼型的升力， 所以与正攻角 下相 比呈现相反的效果 图中升力系数为负表示 升力方向与正攻角时相反 ； 但随着负向攻角的 加大 ， 襟翼被逐渐扩大的速度分离区覆盖 ， 进而对 翼型升力的影响越来越小 ， 在攻角接 近 一1 5 。 时 ， 不 同高度的襟翼与原型 的升力几乎相等 ， 翼 型的 升力几乎不受襟翼的影响。 l 。 求 l 攻 角 。 图 4升力系数 c f 随攻角变化 3 ． 2 升 阻 比 添加襟翼后对升 、 阻力都有影响 ， 而阻力的影 响取决于升阻比的大小， 所以比较添加不同高度 襟翼下升阻 比随攻角 的变化。从 图 5可以看 出， 在攻角 0～ 6 。 时相 比于原型升阻 比都有所提高 ， 4 ％c比2 ％c 的效果更明显； 但是随攻角的增大， 襟翼高度为 4 ％弦长的翼型由于阻力的大幅增 长， 在攻角大于 6 。 时升阻 比已经远小于原型 ， 不 可取。攻角在 一1 5 。～0范 围内， 4 ％ 弦长 的翼 型 升阻比已经无法 和原 型比拟 ， 而 2 ％弦长 的翼 型 升阻比与原型接近甚 至有时高于原型 ， 这说明添 加 2 ％弦长襟翼的改型翼型其气动性能均高于另 外两者 。 四 攻 角 o 图 5 升阻 比 c l ／ c d随攻角变化 3 ． 3 压 力 分布 图6示出在 3 。 攻角时添加 2 ％c O襟翼 的翼型 表面压力分布。与不加襟翼 的 N A C A 0 0 1 5原型进 行对 比可 以看 出， 添加 2 ％c G u me y襟翼后 ， 翼型 吸力面的压力系数减小 ， 获得了更大的吸力 ， 而翼 型的压力面的压力系数增大 ， 获得 了更大的压力。 2 4 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ． 6， 201 1 翼型的升力系数是通过翼面压力数值积分获得 的 ， 即图中的上下表面所包含的面积越大 ， 翼型所 获得的升力就越大 ， 可见该翼型改型的增升效果 明显 。 1 ． 3 辍 一 0． 1 一1 ． 5 O 0 ． O8 0． 1 6 X m 图6 襟翼高 2 ％C 时翼型表面压力分布 4结语 通过添加不 同高度 的 G u r n e y襟翼 对 比 N A C A 0 0 1 5原型可得 ，G u me y襟翼确实 能有效地增 加翼型的升力系数和升阻比， 并且 明显改善 了翼 型表面的压力分布， 对 比 1 ％和 4 ％弦长的襟翼可 知添加 2 ％c 襟翼效果更好。L i e b e c k在研究 G u r - n e y襟翼时得 出， 当襟翼高度不超过弦长的 2 ％时 并不会带来阻力的显著增加 。同时 M y o s e等人 在对 N A C A 0 0 1 1翼型 的风洞测 试结果表 明 0 。 攻 角下 ， 该翼型尾缘处 的边界层厚度 大约为 弦长 的 1 ． 5 ％ [ 6 1 。相对于 N A C A 0 0 1 1翼型， N A C A 0 0 1 5的 翼型尺寸要更厚， 所以其尾缘处的边界层厚度也 会有所增加 。因此 ， 实 际添加 G u r n e y襟翼 时， 其 高度值不能太大 ， 应使之位于边界层内， 这样就不 能将襟翼当作突起物， 其存在也不会对流动产生太 大的不利影响引起阻力的显著增加。综合分析可 知添加 G u r n e y 襟翼高度在弦长 2 ％时较为适宜。 参考文献 包能胜， 曹人靖， 叶枝全． 水平轴风力机桨二维增升 实验研究 [ J ] ． 太阳能学报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 1 7 2 - 7 6 ． 张兆顺 ， 崔桂香， 许春晓． 湍流大涡数值模拟的理论 和应用 第一版[ M] ． 北京 清华大学 出版社， 2 0 08． L i e b e c k，R． H．De s i g n o f s u b s o n i c a i r f o i l s f o r h i g h l i f t [ J ] ．J o u r n a l of A i r c r a f t ，1 9 7 8 ， 1 5 9 5 4 7 - 5 6 1 ． Nu me ri c a l S i mu l a t i o n of Un s t e a d y F l o w a n d Ae r o d y n a m i c [ J ] ．J o u ma l of A i r c r a f t ，2 0 0 1 ， 3 8 2 1 8 9 2 o 7 ． N u me r i c a l i n v e s t i g a t i o n O i l t h e fl o w a n d p o w e r of s ma l l s i z e d m ulti b l a d e d s t r ai g h t D a r r i e u s w i n d t u r b i n e [ A] ． AI AA P a p e r 9 6 - 0 0 5 9．J a n 2 0 0 1 ． E a r l P N D u q u e ， v a n D a m C P ，S h a n n o n C H u ghe s ． S i mu l a ti o n o f t h e NRE L C o mb i n e d E x p e r i me n t P h a s e I t R o t o r [ A] ．A I A A - 9 9 -0 0 3 7 1 4 3 1 5 3 ． 作者简介 王茜 1 9 8 3 一 ， 女 ， 硕 士研究生 ， 主要研究方 向为新 能源开发与利用 ， 通讯地址 3 1 0 0 1 4浙江杭 州市下城 区潮王路 l 8 号浙江工业大学机械工程学院。 上接 第9页 [ 5 ] 焦卫东．基于独立分量分析的旋转机械故障诊断 方法研究[ D ] ．浙江 浙江大学， 2 0 0 3 ． [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] C o mo n P I n d e pe n d e n t c o mp o n e n t a n a l y s i s ，A n e w c o n c e p t [ J ] ．s i P r o c e s s i n g ， 1 9 9 4， 3 6 3 2 8 7 - 3 1 4 ． A a po H y v a f n e n ，J u } la K a r h u n e n ，E r k k i O j a ．I n d e pen d e n t c o m p o n e n t a n a l y s i s [ M] ．J o h n Wi l e yS o n s I n c ．， 2 0 0 1 ． 杨福生 ， 洪波．独立分量分析的原理与应用[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 6 ． 史习智．盲信号处理一理论和实践[ M] ．上海 上 海交通大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 1 0 ]邓乃杨 ， 田英杰．支持向量机一理论、 算法与拓展 [ M] ．北京 科学出版社， 2 0 0 9 ． [ 1 1 ]S u y k e n s J A K， V a n d e w a U e J ．L e ast S q u a r e s S u p p o r t V e c t o r Ma c h i n e C l a s s i fi e r s[ J ] ．N e ura l P r o c e s s i n g L e t t e r s S 1 3 7 0 - 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