翼型厚度对风力机翼型气动特性的影响.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 2期 流体机械 3 1 文章编号 1 0 0 5 -- -- -- 0 3 2 9 2 0 1 0 O 2 0 0 3 l 0 4 翼型厚度对风力机翼型气动特性的影响 李常， 梁武科。 金雪红， 王学涛 西安理工大学， 陕西西安7 1 0 0 4 8 摘要 在 R e 31 0 。 下 ， 基于 kW S S T两方程湍流模型对两种不同厚度的 N R E L风力机专用翼型进行了数值模拟 ， 重点研究了 一 5 。 ～1 5 。 攻角下不同厚度对翼型气动特性的影响规律。非定常计算结果表明 不同厚度对翼型气动性能影 响显著， 在某一小攻角范围， 较小厚度值可获得较大升阻比， 在大攻角翼型发生失速时， 较大厚度值可提高翼型的升阻 比， 拓宽高升阻比的攻角范围， 有效改善翼型的分离流动特性。 关键词 kw S S T湍流模型 ； 翼型厚度 ； 气动性能 ； 非定常 ； 分离流 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 50 3 2 9 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 0 8 Effe c t s o f Ae r o f oi l Thi c kn e s s o n Ai r f oi l Ae r o dy na mi c Cha r a c t e r i s t i c s L I Ch a n g ，L I ANG Wu k e， J I N Xu e h o n g ， WANG Xu e t a o X i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， X i a n 7 1 0 0 4 8， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e k - W S S T t u r b u l e n c e mo d e l， t w o a i r f o i l s o f d i f f e r e n t t h i c k n e s s a r e s i mu l a t e d a t R e31 0 。 ．t h e a e r o d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f a i rf o i l w i t h d i ff e r e n t t h i c k n e s s e s a t t h e a t t a c k a n g l e o f 一5 。～1 5。a r e i n v e s t i g a t e d ． T h e u n s t e a d y n u me ri c a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e e f f e c t o f t h e d i f f e r e n t a e r o f o i l t h i c k n e s s i s o b v i o u s t o t h e a e r o d y n a mi c p e rfo r ma n c e ， a t a s ma l l a n g l e o f a t t a c k r a n g e ， t h e g r e a t e r t h i c k n e s s l e a d s t o t h e l a r g e l i f t - d r a g r a t i o ， a t l a r g e a n g l e o f a t t a c k ， l a r g e r t h i c k n e s s c a n i mp r o v e t h e l i ft d r a g r a t i o ， b r o a d e n t h e s c o p e o f t h e a n g l e o f a t t a c k o f t h e h i g h l i f t d r a g r a t i o ， e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e fl o w s e p a r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ． Ke y wo r d s k - W S S T t u r b u l e n c e mo d e l ；a e r o f o i l t h i c k n e s s ；a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e ；s e p a r a t e d fl o w 1 前言 随着风力机 发 电技术 的迅速 发展 和广泛应 用， 传统翼型已经不能很好地满足风力机及其特 殊运行环境的要求 J ， 寻求高升力、 低阻力、 失速 工况下气动性能稳定的风力机专用翼型已成为当 今风力机研究领域的一个重要方 向， 改变翼 型厚 度就是提高翼型性能的一个重要研究内容。文献 [ 2 ] 分析了翼型厚度对其升力特性、 阻力特性、 失 速特性等气动特性的影 响， 说明厚度也是影 响翼 型性能的重要因素。 本文采用数值 计算方法对 N R E L系列 中 8 3 2以及 弯度相近 ， 相对厚度不 同的 8 2 7 、 8 2 8 三种翼型进行数值模 拟 ， 通过与 N R E L的试验结 果进行 比较 ， 验证所采用的数值方法的可行性 ， 分 收稿 日期 2 0 o 9 O 9 O 7修稿 日期 2 0 0 9 1 O 一 1 0 析厚度对翼型气动特性的影响。 2 数值研究方法 2． 1 涡 流 秧 型 k w S S T两方程模型为 t m a x a l t o ； 一 F ； 。 1 0 3 1 1 毒 [ 差 ] r 警 一 卢 p 一 p 2 去 c 十 盖 丁 嚣 一 2 1一 F P 1 O k O t o 3 3 2 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ． 2， 2 01 0 式 中卢、 o r 、 or 模型参数 、F ， 混合 函数 k W S S T湍流模 型是 Me t e r F ． R在 Wi l c o x 提出的 k W模型的基础上 ， 结合 k一￡湍流模型 的优点发展起来的 ， 它利用函数 F 将 k一￡和 k W二方程模式结合起来 ， 再利用混合函数 改 进涡团粘性系数 在壁面逆压流动区域 的结果 ， 充分发挥了 k一8模型处理 自由流， kW模型处 理壁面约束流动的特长。 2 ． 2数值 方 法 本文采用 F l u e n t 前处 理软 件 G a m b i t 2 ． 0对 8 3 2翼型进行几何建模 ， 计算网格为 C型结构化 网格 ， 网格数为 5 8 6 0 0 ， 其 中翼型表面分布 了 1 8 9 个节点， 图 1是网格的局部放大。 图 1 8 3 2翼型J网格局部放 大 从图中可看 出， 在翼型前缘 和尾缘对 网格进 行了局部加密。第一层网格线距翼型表面最近距 离为弦长的 1 0 倍 ， 计算域 的外边界离翼 型表面 为 1 2倍弦长， 这种网格划分保证了在近壁面处复 杂流动的计算精度。 计算域 的边界包括进 口、 出 口、 固壁 、 及计算 边界 ， 计算域的外边界离翼型表面为 l 2倍 弦长， 所采用的边界条件为 进 口给定速度进 口， 出 口给 定 自由出流 ， 固壁采用无 滑移条件 。基于 kW S S T湍流模型， 采用分离式求解器， 隐式解法， 空 间离散格式采用二阶迎风格式 ； 流动为非定常流 动， 压力 一 速度耦合采用 S I M P L E算法 。每个 迭代周期迭代 步数 为 2 0 ， 迭代周期 为 8 0 0 ，当流 场中所有计算点上的最大残差小 于 1 0 时 ， 认为 计算收敛。 2 ． 3数值 验证 数值计算的条件为 攻角 一 5 。 一 1 5 。 R e 3． 01 0。 ，采用 kW S S T湍流模 型对 8 3 2翼型 进行非定常数值模拟， 得到了翼型升力系数 c 和 阻力系数 C 随攻角 O t 的变化曲线 ， 并与 N R E L试 验数据 进行比较 ， 如图 2所示。 1 ．6 o．6 图2 8 3 2升力 、 阻力系数随攻角的变化 从图中可看出， 在 一2 。～1 0 。 攻角范 围内， 使 用 kW S S T湍流模型得到的二维翼型计算结果 与试验值吻合较好， 说明该湍流模型可有效地用 于本文的数值模拟研究。 3 计算结果及分析 采用数值方法对两种不同厚度的 N R E L风力 机专用翼型 8 2 7 、 8 2 8进行数值模 拟研究 ， 分析 厚度对翼型气动特性的影响， 计算条件为 R e 3 ． 0 X 1 0 ， 攻角 一 5 。 一 1 5 。 ， 所选翼型参数如表 所示 1 [ 。 表 1 所选翼型的主要参数 翼型 名 采用弦 长 c m 相对弯度 ％ 帕对厚度 ％ 8 2 7 1 0 0 2 ． 2 2 1 8 2 8 1 0 0 2 ． 3 1 6 3 ． 1 翼型厚度对翼型 气动特性的影响 图 3为 8 2 7 、 8 2 8翼型在攻角 O t 一5 。 一1 5 。 时的升力、 阻力系数数值计算结果的比较 ， 图 4为 这两种翼型的升阻比随攻角变化的曲线。由图 3 可知 ， 随着人 流攻角 的增 大， 8 2 7 、 8 2 8翼 型的 升 、 阻力系数都逐渐增 大， 对 同一攻角， 8 2 7翼型 具有相对较 大 的升 力系数 ， 最 大升力 系数为 1 ． 3 0 8 ， 出现在 l 5 。 攻角附近； 8 2 8翼型最大升力系 数为 1 ． 2 1 ， 出现 在 l 4 。 攻角 附近。由图 4可 知， 8 2 7翼型最佳升阻 比达到最 大约为 4 1 ． 9 5， 对应 的最佳攻角为 6 。 ； 8 2 8翼型最大升阻 比约为 4 4 ， 对应的最佳攻角为 7 。 。 8 2 7翼型较 8 2 8翼型有 较宽的大升阻比攻角范围。 针对所计算的翼型， 在小攻角下随着翼型厚 度的增加， 翼型升、 阻力系数都显著增加， 阻力系 数较升力系数增加的程度要大 ， 同时， 随着翼型厚 度的增加 ， 翼型最佳升阻比减小 ， 但最佳升阻比对 2 0 1 0 年第3 8 卷第 2 期 流体机械 3 3 应的攻角范围较宽， 利于提高工作效率。 1 ． 6 0 ． 6 -0．4 图3 8 2 7 、 8 2 8升力、 阻力系数随攻角的变化 2 0 l 0 图4 8 2 7 、 8 2 8升阻比随攻角的变化 3 ． 2 翼型厚度对流态分布的影响 图 5 、 6分 别 为 8 2 7 、 8 2 8翼 型在 一5 。 、 0 。 、 5 。 、 1 5 。 攻角下 的速度分布， 由图可知 8 2 7翼型 出 流动分离现 象较 早 ， 在 5 。 附 近出现 流动分 离现 象， 8 2 8 翼型在8 。 附近出现流动分离现象。通过 对比图 5、 6可看出 ， 随着翼型厚度 的增加 ， 翼型分 离点前移速度较慢， 涡分布范围较小； 厚度相对较 小的翼型分离点前移速度较快， 涡的分布范围较 大， 使得阻力系数增大较快， 这一点可从图 3 得到 解释 。此外随着翼型厚度 的增大 ， 翼 型上表面速 度加大致使摩擦阻力上升， 翼型压差阻力增大， 使 得翼型的最大升阻比较小 。 图7 是两种翼型在部分攻角下的流体运动轨 迹图 ， 从 图上可 明显看出 ， 在 5 。 攻角时 ， 8 2 8翼型 流体流动未发生分离， 而 8 2 7翼型绕流已开始与 翼型吸力面分离 ， 在 1 5 。 攻角时， 8 2 7翼型吸力面 分离加大 ， 形成 明显的涡流 。 3 ． 3 翼型厚度对压力系数分布的影响 翼型上下表面的压力分布会影响翼型的升阻 比大小 ， 翼型压力 面压力越大 ， 吸力面压力越小 ， 翼型的升阻比越大 。 图 8给 出 了通 过数值 模 拟所 获得 的 8 2 7 、 8 2 8两种翼型表面压力系数分布对比图。 b 5 。 图5 不同攻角下 8 2 7流速分布 b 5 。 图6 不同攻角 8 2 8流速分布 3 4 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ． 2， 2 01 0 a o ／ 一 5 。 8 2 7 一 b O ／ 5 。 8 2 7 e 1 5 。 8 2 8 图7 8 2 7 、 8 2 8部分攻角流线 从图 8中可看出， 人流攻角 O ／ 在 一5 。 ～0 。 范 围时， 8 2 7翼型的上下表面压力系数都较 8 2 8 低 ， 由于 8 2 7翼型吸力面压力很低 ， 使得翼型上 下面的压差较大 ， 反而具有较高 的升阻 比。当人 流攻角 在 5 。～1 0 。 范 围时 ， 8 2 7翼型上下面的 压力系数高， 压力面与吸力面压差较大 ， 具有较高 3 1 1 的升阻比， 这是因为由于翼型厚度的增加 ， 翼型前 缘曲率较大， 导致流管在前缘变细 ， 翼型上表面流 线挤拢， 流速加大， 表面静压降低， 由流体力学原 理可知 ， 加速减压运动流体不容易分离 ， 使得翼型 表面边界层流体主要为附着流， 流体流动效率较 高 ， 从而产生较大的升阻 比。 0 ． 0 0 ． 5 1 ．O X／ c h o r d a 一 5 。 4结论 0 ． 0 0 ． 5 1 ．0 X ／ c h o r d 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 X／ c h o r d b 0 。 C 5 。 图8 翼型表面压力系数分布 1 一5 。 ～1 5 。 小攻角情况下 ， 验证实例与试 验结果数值吻合较好 ， 用 k W S S T湍流模型的非 定常分析方法可有效地进行翼型气动特性预测 ； 2 针对所选翼型 的研究 ， 随着翼型厚度的 增大 ， 对应同一攻角的翼型升力系数有所提高 ， 同 时翼型上下面的压差阻力也增大 ， 使得翼型的升 阻比有所降低， 翼型整体气动性能下降， 但与薄翼 型相比， 较厚翼型的最佳升阻比攻角范围较宽， 说 明合理选择翼型的厚度 ， 也是提高翼型气动特性 的关键 ； 3 所做的工作可补充国内在风力机专用翼 型气动特性研究方面 的不足 ， 在大型风力机叶片 翼型选型方面具有一定的参考价值。 参考文献 [ 1 ] 黄继雄． 风力机专用新翼型及其气动特性研究 0 ． o o ． 5 1 ．O X／ c h o r d d 1 5 。 [ D] ． 广东 汕头大学 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 李德顺． 水平轴风力机专用翼型的空气动力学性能 研究[ D] ． 甘肃 兰州理工大学， 2 0 0 1 ． [ 3 ] Me n t e r F R ． Z o n a l t w o e q u a t i o n k一 1 t u r b u l e n c e ， mo d e l s f 0 r f o r a e r o d y n a mi c s [ R] ． A I A A 9 3 2 9 0 6 ， 1 9 9 3 ． [ 4 ] 王福军． 计算流体动力学分析c F D软件原理与 应用[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 ] 江帆， 黄鹏． F l u e n t 高级应用与实例分析[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 8 ． [ 6 ] S o me r s D M． T h e 8 3 0， 8 3 1 a n d 8 3 2 A i r f o i l s [ R] ． NREI M S R一 5 0 0 3 6 33 9一 Au g u s t 2 0 05． [ 7 ] S o m e r s D M． T h e 8 2 7 a n d 8 3 2 A i r f o i l s [ R] ．N R E L ／ S R- 5 0 0 ． 3 6 3 4 3 - J a n u a r y 2 0 0 5 ． 作者简 介 李常 1 9 8 5 一 ， 男 ， 硕士， 主要 从事风力机气 动性 能 分析的研究 ， 通讯地址 7 1 0 0 4 8陕西西安 市金花南 路五号西安 理 工大学 4 0 5信箱。