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第 3 7卷第 4 期 上 海 理 工 大 学 学 报 J .U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o 1 . 3 7 N o . 4 2 0 1 5 文章编号 1 0 0 7 6 7 3 5 2 0 1 5 0 4 0 3 3 2 0 7 D OI 1 0 . 1 3 2 5 5 / j . c n k i . j u s s t . 2 0 1 5 . 0 4 . 0 0 6 翼型摆角对气动性能的影响分析 季 康 , 李 春 , 叶 舟 , 杨 阳 1 . 上海理工大学 能源与动力工程学院 , 上海2 0 0 0 9 3 ; 2 . 上海理工大学 能源与动力工程 学院 上海市动力工程多相流动与传热重点 实验室 , 上海2 0 0 0 9 3 摘要基于 N R E L s 8 0 9翼型, 研究尾翼摆 角对于翼型气动性能的影响. 通过对 比升阻力系数的模 拟值与 实验值 , 排 除了网格质量对翼型气动性能的影响, 验证 了利用 SA S p a l a r t . A l l ma r a s 湍流 模型对风力机翼型进行计算的有效性, 确定 了合理的模拟方案 , 分析 了翼型的气动性能. 在此基础 上 , 将 S 8 0 9翼型进行 了尾缘变形 , 生成 S 8 O 9上摆 一5 。 、 下摆 5 。 、 1 0 。 及 1 5 。 这 4种 变形翼型. 再利用 C F D c o mp u t a t i o n a l f l u i d d y n a mi c s 软件对它们进行数值计算 , 分析 了各个翼型升阻力系数及流场 特性. 研 究表 明, 随着尾缘下摆 角度的增加, 变形翼型上下表面压差逐渐增大, 下摆翼型在升阻力特 性方面有较大改善. 但随着翼型下摆角度的增大, 翼型产生分离涡的攻角却随之减小, 更易失速. 而 上摆翼型升 阻力特性及失速特性均不如原始翼型. 关键词 翼型 ; 尾缘 ; 数值模拟;气动性能 中图分类号 T K 8 3 文献标志码 A I n f l u e n c e o f Ai r f o i l Pe n d u l u m An g l e o n Ae r o d y n a mi c P e r f o r ma n c e J I K a n g , k l C h u n , Y E Z h o u ~, Y A N GY a n g 1 . S c h o o l o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y of S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y, S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3, C h i n a; 2 . S h a n g h a i Ke y L a b o r a t o r yofMu l t i p h a s e F l o w a n dHe a t T r a n s f e ri nP o w e rE n g i n e e ri n g, S c h ool of E n e r g y a n dP o w e r E n g i n e e rin g , U n i v e r s i t yof S h a n g h a i f o S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3, C h i n a Ab s t r a c t NR E L S 8 0 9 a i r f o i l wa s s e l e c t e d a s a n o b j e c t t o s t u d y t h e i mp a c t o f t r a i l i n g e d g e a n g l e o n i t s a e r o d y n a mi c p e rfo r ma n c e s . Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s we r e c o mp a r e d wi t h t h e e x p e r i me n t o n e s t o r u l e o u t t h e g r i d q u a l i t y e f f e c t s o n a e r o d y n a mi c pe r f o r ma n c e, t h e e f f e c t i v e n e s s o f SA S p a l a r t Al l ma r a s t u r b u l e n c e mo d e 1 wa s v e r i f i e d a n d a r e a s o n a b l e s i mu l a t i o n s c h e me wa s ma d e s u r e t o a n a l y z e t h e a i r f o i l we l l a n d t r u l y . On t h i s b a s i s , t h e 8 0 9 t r a i l i n g e d g e s wi n g a n g l e wa s a l t e r e d t o g e n e r a t e 8 0 9 5 。 , 5 。 , 1 0 。 , 1 5 。d e f o r me d a i r f o i l s . Th e n t h e C F D s o f t wa r e wa s u sed t o a n a l y z e n u me r i c a l l y e a c h a i rfo i l ’ S a e r o d yn a mi c c h a r a c t e r i s t i c s . Wi t h t h e i n c r e a s e o f t r a i l i n g e d g e s wi n g a n g l e, t h e d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e o n t h e u p pe r a n d l o we r s u r f a c e s o f t h e a i r f o i l b e c o me s b i g g e r . S o f o r t h e p o s i t i v e s wi n g a n g l e a i r f o i l s t h e l i f t a n d r e s i s tan c e c h a r a c t e r i s t i c s a r e i mp r o v e d , h o we v e r , wh e n t h e a i r f o i l s wi n g a n g l e i s i n c r e a s e d , t h e a n g l e o f a t tac k be c o me s s ma l l e r a n d t h e s e p a r a t i o n v o r t e x wo u l d a p p e a r . F o r n e g a t i v e s wi n g a n g l e a i r f o i l s , a l l o f t h e l i f t , r e s i s t a n c e a n d s t a l l i n g c h a r a c t e r i s t i c s ar W nrSe . 收稿 日期 2 0 1 40 51 9 基金项目国家 自然科学基金资助项 目 F , 5 1 1 7 6 1 2 9 ; 上海市教委科研创新 重点 资助项 目 1 3 Z Z 1 2 0 , 1 3 Y Z 0 6 6 ; 教育部高 等学校博士学科点专项科研基金 博导类 资助项目 2 0 1 2 3 1 2 0 1 1 0 0 0 8 第一作者 季康 1 9 9 1 一 , 男 , 硕士研究生. 研究方向 翼型气动数值模拟. E ma i l j i k a n g 2 4 4 1 1 6 3 . c o rn 通信作者 李春 1 9 6 3一 , 男, 教授. 研究方向 风力机设计优化及风能利用. E ma i l l i c h u n u s s t 1 6 3 . c o rn 第 4期 季康, 等 翼型摆角对气动性能的影响分析 Ke y wo r d s a i r f o i t ;t r a i l i n g e d g e ;n u me r i c a l s i mu l a t i o n;a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e 风力机在 目前已建成 的旋转机械中直径最大 , 然而随着单机功率的增加 , 其叶片长度也 随之越来 越长, 这就会引起风轮叶片的弯曲变形 , 最终导致气 动性能的变化[ . 研究表明, 当风力机叶片长度增加 至 3 0 m以上时, 叶片会产生柔性特性 , 再加上叶片 本身材料的强度较高且模量较低 , 其几何非线性特 性将会 明显变强 ; 而 当叶片长度增加至 6 0 m 以上 时, 尾缘由于同时受到气动力和结构力 , 在时域范围 内会 出现截然不同的非定常特性_ 2 I 3 j . 近年来 , 对翼型尾缘摆角 的研究主要集 中在飞 行器方面, 然而对于风力机 方面的研究相对偏 向于 叶片材料及控制等方面[ I 9 ] . 1 9 9 9年 , A n d r e w等_ 1叩 第一次将主动控制变形叶片技术应用在风力机叶片 上 , 其对变形叶片的研究重点在于不 同弯扭结合的 叶片 设计 方 式 , 而 不 改变 叶 片 的整体 结 构 , 文 献 [- 1 1 1 4 ] 给出了新型适应性叶片, 主要将叶片展向 进行了适当的弯扭设计 , 但是并未涉及翼 型尾缘变 形后引发的气动效应. 本文选取 NR E L 8 0 9翼 型1 , 通过数值 模拟 商用软件研究不同攻角 、 来流风速和尾缘 角度对其 气动性能的影响 , 并对 比变形翼 型与原始翼型的升 阻力系数及流线图, 分析了变形翼型上下表面压力 分布的变化规律. 1 尾缘变形翼型创建原理 对 8 0 9翼型尾 缘进行 变形 , 在弦长 7 5 %的后 方 , 对翼型尾部进行摆动 , 如 图 1所示. 定义 5种翼 型, 分别为上摆 一5 。 、 原始翼型、 下摆 5 。 、 下摆 1 0 。 、 下 摆 1 5 。 . J 2 . s 8 0 g 原始翼型 4 . 下摆 1 0 。 翼型 0 .1 5 0 .1 0 -/ / / / 2 .f 0 .0 5 1 ~ 一 . 一 A 一 Ⅺ一 0 .0 5 \二二 0 .1 O 图 1 翼 型尾 缘摆 角及变形示意图 Fi g . 1 Sc h e ma t i c d i a g r a m o f p e n d u l u m a ng l e a n d d e f o r ma t i o n o f a i r f o i l 在来流方 向速度 U 不变 的情况下 , 翼 型尾缘 的上下摆动改变 了原始翼 型的弦线 , 因而会对攻角 a 产生一定变化 , 因此 , 假定尾缘向下摆动为正 , 向 上摆动为负, 其中, 卢 为尾缘相对原始翼型的摆动 角度 . 在尾缘 1 / 4处 , 设定摆动角度 变形规律为 卢 J8 os i n £ J8 1 式 中, 为原始翼型摆角, 即 0 ; 卢 一 为尾缘 最 大摆角; t 为摆动时刻. 利用二 次 函数来 约束 并 形 成尾 缘 部 分 的 中 弧线 . Y a1 a2 a3 式中, , Y为翼型弦长 C的坐标位置 ; a 1 , a 2 , a 3 为 系数 . 为 了得到不 同摆角下 的翼型, 可以通过 以下约 束条件来确定 a . A A, Y a 与 B , Y e 分别 为 尾缘中弧线的起点与终点 ; b . A点始终保持与中弧 线相切 , 斜率 Y Ak; c . 且 面 一t a n fl 0 ; d . 保持弧长彻 不变 . 根据上述条件可以得到如下方程 Y A a1 2 A 3 2 YB 1 2 9 B 3 3 2 a1 A a2 0 4 一 t a n 5 0 7 5 B一 . “ l , 、 / 1 d s8 0 6 式 中, 8 。 表示原始 8 0 9翼型尾缘 中弧线弧长AB. 如图 2所示 , 假设来流为水平流动的风 速. A B 即为原弦线 7 5 %的后方 , 尾缘发生变形部分 . 0 B表 示 由于尾缘摆动变形后形成 的新弦线. 其 中, 卢 即 表示翼型尾缘摆动的角度, a 表示翼型变形后的实 际攻角 . C .昼 ∞ 0 B B 图 2 翼型摆 角 t 与攻角 口 t 关 系简化示意图 Fi g. 2 S i mp l i fie d s c h e ma t i c d i a g r a m o f £a n d口f 显然 , 当 l9 t 0时 , 原弦线 和新弦线重合, a 0 . 当 ≠0时 , 0 C0 . 7 50 . 2 5 c o s , BC 0 . 2 5 s i n卢 . 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 5年 第 3 7 卷 由于尾缘变形而产生了新的弦线 , 攻角也随之 产生了变化 . a 一a r c t a n Y B / X B 7 最终 , 』8 与 a 之间存在着一定 的函数关 系, 其 近似表达式为 a a r c ta n 8 由式 8 可知, 翼型尾缘摆角与攻角的变换关系 如表 1所示 , 尾缘摆角每改变 5 。 , 相应的攻角改变约 1 . 2 5 。 . 在本文 中, 攻角表示来流风速与变形产生的 新 弦线之间的夹角, 向上表示 正摆角, 向下表示 负 摆角. 表 1 尾缘摆角角度与攻角之间的对应关系 T a b . 1 Re l a t i o n s h i p b e t we e n p e n d u l u m a n g l e a n d c o r r e s p o n d i n g a ng l e o f a t t a c k 2 计算与结果分析 2 . 1 网格划分与计算条件 8 0 9原始翼型流场计算域如图 3所示. 计算域 主要由两部分组成 , 分别为上游来流和下游尾迹 区. 上游来流区是 C型区域 , 半径为 1 0倍 的弦长; 下游 尾迹区是正方形区域, 其边长为 2 0 倍的弦长. 速度入 口同入口边 界条件 速度入 湍流度 图 3 流场计算域示意 图 Fi g . 3 S c h e ma t i c di a g r a m o f flo w fie l d c a l c ul a t i o n d o m a i n 网格质量 的优劣对数值计 算有着关键性 的影 响, 对于不同的计算工况, 计算域的离散方法可以分 为两类 非结构化和结构化网格. 计算域整体网格分 布如图 4 a 所示 , 由于在翼 型前缘与尾缘附近 的压 差变化较大, 为捕捉翼型边界层附近的流动, 在翼型 周围布置边界层 网格 , 如 图 4 b 所示 . 网格划分为 结构化网格布置 , 第一层网格尺度为 0 . 0 0 1 m, 计算 域网格总数为 5 0 O O O . a 整体计算域网格 C o 翼型边界层附近局部放大图 图 4 计算域 网格划分 Fi g . 4 Me s h o f c al c u l a t i o n d o ma i n 边界条件的设定 a . 入 口边界设定为风速恒定 的稳态风 , 湍流度选取 1 %; b . 出 口边界采用总压为 0 的压力出口; c . 壁面条件采用无滑移条件; d . 湍流 模型 采 用 S A S p a l a r t A l l ma r a s 模 型, 雷 诺 数 取 7. 51 0 . 2 . 2 可靠性验证 为了验证上述计算模型及边界条件的可靠性 , 选 取 S 8 0 9 原始翼型, 将其升阻力计算结果与实验值进 行 比较. 本 文 中采用 了 0 S U O h i o S t a t e U n i v e r s i t y 实验[ ] 的雷诺数为 7 . 51 0 时的 8 0 9翼型实验 数据作为二维静态测试数据. 图 5是利用上述 网格及边 界条件 , 通过 F l u e n t 模拟出的原始翼型的静态升力系数 C 1 J 与阻力系数 C 。在不 同攻角 一 o ~l 8 。 下的变化趋势 . 攻 角 / 。 a 升力系数对 比图 攻角 / 。 b 阻力系数对比图 图 5 8 0 9实验值与模拟值的对 比 Fi g. 5 Co mp a r i s o n o f e x p e r i me n t a n d s i mu l a t i o n r e s u l t o f S 8 0 9 第 4期 季康, 等 翼型摆角对气动性能的影响分析 3 3 5 图 5 a 为 R e7 . 51 0 隋况下的 0 S U风洞 测试静态 8 0 9翼 型升力系数. 从 图 5 a 中可 以看 出, 最 大 的升力 系数在 约 1 6 。 攻 角处获得 , 数 值为 1 . O 2 . 当攻角处于 一6 。 ~1 1 。 时 , 模拟 的升力 系数 比 实验值大 4 . 2 %; 而当攻角在 1 1 。 ~1 8 。 时, 计算得 出 的 C I J 误差值增至 9 %. 从图 5 b 可以得到 , 实验值阻力系数在较大的 攻 角范 围 内均 保 持 在 较 低 的状 态. 当 攻 角 处 于 一 6 。 ~1 6 。 时, 模拟的阻力系数与实验值 的误差均保 持在 8 %以 内, 当攻角处 于 l 6 。 ~ 1 8 。 时 , 误 差值 达 到 1 0 %. 由于网格对 C F D c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s 计 算结果也有着至关重要的影响, 故作者对网格数量作 了验证, 分别试用了网格数为 3 4 5 2 0的非结构性 网 格和网格数为3 8 5 8 0 的结构性网格对 S 8 0 9原始翼型 进行模拟 , 计算结果与实验值的平均误差超过 1 0 %, 即证明了5 0 0 0 0 以下不同数量 的网格对计算结果有 着不可忽视的影响. 但是 , 一旦 网格数超过5 0 0 O 0 , 继 续对网格进行加密, 无论增加多少网格 , 对计算结果 没有太大的影响. 另外, 考虑计算经济性以及 时间成 本的情况下, 5 0 0 0 0的网格数即满足计算要求. 此外 , 在 C F D计算中使用 了壁面 函数 , 因为 , 在 壁面周围的压力梯度很大 , 需要排除在边界层 中存 在解析解 的情况 , 并检查 了一次层 网格质心到壁 面 的无量纲距离 Y . 从 图 6可以看 出, 的范 围较 小, 第一层网格布置得比较合理. 因此, 采用上述网 格数量及质量可以得到较为准确 的模拟结果 . 图 6 壁 面附近 8 0 9原始翼型 F i g . 6 Y n e a r t h e a i r f o i l o r i g i n a l 8 0 9 a i r f o i l 综上所述 , 升阻力系数 的模拟结果 与试验值 曲 线吻合得 比较好 , 虽然存在一定误差 , 但是 , 研究重 点是不同尾缘摆角对翼型气动性能的影响, 属于比 较性研究 , 稍有偏差并不影 响最终结论 . 所 以, 采用 的算法是可靠的. 2 . 3 尾 缘摆 角对 翼型 升 阻力 系数 的影响 图 7为 S 8 0 9原始翼型及上摆 一5 。 、 下摆 5 。 、 下 摆 1 0 。 、 下 摆 1 5 。 后 翼型 在不 同攻 角下 的静 态 C 和 C D . 攻角 / 。 a 升力系数变化趋势 攻角 / 。 b 阻力系数变化趋势 图 7 尾缘摆动后 静态升阻力系数随攻角的变化关 系 Fi g . 7 Va r i a t i o n t r e n d o f l i f t a n d d r a g c o e f fic i e n t o f d e f o r m e d a i r f o i l s wi t h t h e c h a n g e o f an g l e o f a t t a c k 由图 7 a 可知, 在 一6 。 ~1 2 。 攻角范围内, 下摆 翼型的 C 整体上较原始翼 型高 . 表 2为摆角翼 型 相对于 8 0 9原始翼型升力系数提高的平均值 . 表 2 摆角翼型相对于 8 0 9原始翼型升力系数提高的平均值 Ta b. 2 C o mp a r i s o n o f t h e a v e r a g e v a l u e o f th e i n c r e a s i n g CL o f d e f o r med a i r f o i l s wi th t ha t o f o r i g i n a l 8 0 9 a i r f o i l 原始翼型的升力系数 在小攻角范围 内, 会随着 攻角的变 大而保 持变大 趋势 , 其 中, 对 于下 摆 5 。 , 1 0 。 , 1 5 。 这 3条升力 曲线 , 当攻角在 一5 。 ~4 。 区间为 线性区域 翼 型表 面为完全 附着 流动 , 而攻角 在 4 。 ~1 2 。 区间则为非线性 区域 翼型表面为转捩流动 或部分分离流动 . 原始翼型在 一6 。 ~1 6 。 攻角范围, 升力系数变化 范围为 一0 . 4 8 ~1 . 1 4 , 而下 摆翼 型 当攻 角范 围为 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 5 年 第 3 7卷 参考文献 [ 1 ] 李春, 叶舟, 高伟 , 等. 现代陆海风力机计算与仿真 E M] . 上海 上海科学技术出版社, 2 0 1 2 . 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