翼型多種流動控制方式的仿真與分析

潘文靜

摘? ?要：當今的風電領域，風力發電機的氣動性能以及在機組翼形流動控制方面的問題依然是阻礙風電技術向前快速發展的障礙物。因此，研究、修正風力發電機葉片的翼型形狀，從而進一步優化其氣動性能已經成為了提高風力發電機風能利用系數、大幅度降低風力發電成本的最根本且最有效的措施。本文旨在探究風力發電機翼型附近的流場分布。選用S809翼型，用ANSYS Fluent軟件分別模擬干凈的翼型、傳統襟翼翼型和格林襟翼翼型的二維流動狀況，進一步分析其流動控制的優缺點，對比其升阻力系數的變化等。所得結果在風力發電機翼型種類的選擇和研究兩個方面可以作為有效的參考依據。

關鍵詞：風力機? 流動控制? 數值模擬? S809翼型

中圖分類號：TM62? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（c）-0023-02

1? 二維翼型的形狀及網格劃分

針對S809型號下干凈的翼型、傳統襟翼翼型（襟翼偏轉角度為15°）、格林襟翼翼型（h=2%C）進行了數值模擬計算。根據S809翼型的數據，使用ICEM CFD前處理軟件分別建立出三種特定翼型的二維模型以及網格劃分。

本文計算中，采用的是C型結構網格，近壁面采用粘性網格，網格量為1.7×105。翼型的上表面和下表面均使用固定壁面邊界條件，對上游流入的流體使用速度入口條件，對下游無限遠處使用壓力出口，其中靜壓大小為0Pa，憑借對網格的順時針旋轉來改變流動攻角。同時，本次計算中采用SST k-omega模型，翼型弦長是1m，以此弦長為特征長度的雷諾數是，來流風速設為7m/s。

使用Fluent軟件進行數值模擬，得出不同翼型的升阻力系數變化和翼型在不同迎角下的流譜、壓力云分布等二維流動狀況。

2? 升阻力系數對比分析

在進行Fluent軟件數值模擬計算的過程中，憑借對網格的順時針旋轉來改變三種翼型的流動攻角。在攻角為-4°～24°的區間內，對流動攻角每隔2°進行一次旋轉。隨后通過計算得出三種翼型的升阻力變化系數，最后根據數據繪制出相應特性曲線。

通過三種特性曲線對比可知，干凈翼型在攻角為6°時取得最大升阻比為38.82;傳統襟翼翼型在攻角為6°時取得最大升阻比為40.45;格林襟翼翼型在攻角為2°時取得最大升阻比為39.44。

對于風力發電機的翼型而言，升阻比的數值愈大，證明其空氣動力性能愈好，氣動效率愈高。因此，根據數值模擬計算可知，三種翼型中氣動性能相對最好、氣動效率相對最高的是傳統襟翼翼型，其次是格林襟翼翼型，最后是干凈的翼型。

3? 不同迎角下的翼型壓力變化情況

在進行了三種特定翼型的Fluent數值模擬計算后，挑選出幾組不同攻角下（0°、4°、8°、10°、16°、24°）的同種翼型，匯總數據并繪制出壓力云分布圖，對比并分析干凈的翼型、傳統襟翼翼型、格林襟翼翼型葉片壓力變化情況得到如下結論。

S809干凈的翼型其攻角在0°～16°的區間內，隨著攻角的增加，翼型下翼面的壓力逐步增加，翼型上翼面的吸力逐步增加。翼型前緣和尾緣壓力也逐步增加;然而當攻角大于16°后，翼型上翼面的吸力逐步下降，翼型中部和下部的壓力也有明顯的降低，這是因為干凈的翼型在攻角為16°時發生了失速的情況，使得翼型的氣動性能和氣動效率有了明顯的下降;S809傳統襟翼翼型其攻角在0°～8°的區間內，隨著攻角的增加，翼型下翼面的壓力逐步增加，翼型上翼面的吸力也逐步增加，翼型前緣和尾緣壓力也逐步增加;然而當攻角大于8°后，翼型上翼面的吸力和下翼面的壓力也開始逐步降低，這是因為傳統翼型在攻角為8°時發生了失速的情況，使得翼型的氣動性能和氣動效率有了明顯的下降。然而當攻角在10°～24°這個區間的時候，翼型上翼面和下翼面分別所受的吸力和壓力不是很穩定，呈先增加后降低的態勢;S809格林翼型攻角在0°～10°的區間內，隨著攻角的增加，翼型下翼面所受的壓力在增加，翼型上翼面所受的吸力也在增加。翼型前緣和尾緣所受的壓力同樣也在逐步增加;然而當攻角大于10°后，翼型上翼面的吸力逐步下降，翼型下翼面的壓力也開始逐步下降，同時翼型中部的壓力也有了明顯的降低，這是因為格林襟翼翼型在攻角為10°時發生了失速的情況，使得翼型的氣動性能和氣動效率有了明顯的下降。

4? 不同迎角下的流譜分析

在進行了三種特定翼型的Fluent數值模擬計算后，挑選出幾組不同攻角下（0°、6°、16°、24°）的同種翼型，匯總數據并繪制出速度流線圖，對比分析干凈的翼型、傳統襟翼翼型、格林襟翼翼型流譜變化情況得到如下結論。

S809干凈翼型在小攻角和中等攻角時，沒有發生翼型分離現象。在攻角為16°時，翼型后緣開始出現分離，并形成了逆時針旋轉的渦，翼型開始發生失速現象。在攻角為16°～24°的區間內，翼型失速現象愈發嚴重;在攻角為24°時，翼型前緣都已發生分離，并形成旋轉方向分別為順時針和逆時針兩個渦;S809傳統襟翼翼型在小攻角時，沒有發生翼型分離現象。在攻角為6°時，傳統襟翼翼型的尾緣氣流向上卷起，不過此時通過對其升阻比的分析，它的氣動性能與氣動效率都為最優。在攻角8°時，翼型后緣逐步發生分離，翼型開始失速。在攻角為8°～24°的區間內，翼型失速現象愈發嚴重;在攻角為24°時，翼型前緣已發生分離，翼型完全失速，并形成順、逆時針旋轉的兩個渦;S809格林襟翼翼型在小攻角時，不會發生翼型分離現象。在攻角為10°時，翼型出現時速現象，并在分離后襟翼的上部形成了一個順時針旋轉的渦。在攻角為10°～24°的區間內，翼型失速現象愈發嚴重;在攻角為24°時，翼型前緣已發生分離，翼型處于完全失速狀態，并形成了旋轉方向為逆時針的渦。

5? 結語

通過本文的研究分析得出了以下主要結論。

（1）S809干凈翼型的失速攻角為16°，傳統襟翼翼型的失速攻角為8°，格林襟翼翼型的失速攻角為10°。

（2）三種特定翼型中，傳統襟翼翼型的升阻比相對較高，空氣動力學性能相對較好，氣動效率也相對較高。

（3）二維翼型的表面壓力分布對攻角的變化十分敏感，尤其是在翼型吸力面前緣的吸力鋒隨著攻角的變化十分明顯。 通過CFD計算葉片截面的壓力分布，可以確定當地入流攻角的大小。

（4）二維翼型周圍的流場分布變化與迎角的變化有著十分密切關系。其中S809干凈翼型在小攻角和中攻角時，翼型無分離;在大攻角時，翼型出現后緣分離。S809傳統襟翼翼型和S809格林襟翼翼型在小攻角時，翼型無分離;在大攻角和中攻角時，翼型出現后緣分離。

參考文獻

[1] 樊友民，錢洋.風能及風力發電問題發電設備[J].發電設備，2009，23（6）：465.

[2] 錢翼稷.空氣動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3] Hansen M.Aerodynamics of Wind Turbines[M].肖松，譯北京：中國電力出版社，2008.

[4] 明曉.主動流動控制的若干問題研究[A].太原：第六屆全國實驗流體力學學術會議[C].2004.

[5] Chang PIC Control of Flow Separation.Washington：Hemisphere Publishing Corporation，1976.