渦流發(fā)生器高度和長度對風(fēng)力機(jī)翼型的影響研究*

李寶山，龔玉祥，張建軍，周曉亮

（1.華能新能源股份有限公司廣西分公司，南寧 530022；2.浙江運達(dá)風(fēng)電股份有限公司浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點實驗室，杭州 310012）

0 引言

風(fēng)力機(jī)葉片的大型化趨勢使得葉片長度越來越長，為了保證葉片根部的強(qiáng)度，葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計上大多選用大厚度的翼型，這就導(dǎo)致了在大攻角下，大厚度的翼型更加容易發(fā)生氣動分離現(xiàn)象，導(dǎo)致葉片吸收風(fēng)能的能力降低，從而降低了風(fēng)輪效率[1]，而近年來風(fēng)電運營商越來越注重風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)性，風(fēng)電機(jī)組的提功增效也越來越受到重視[2]。

渦流發(fā)生器（VGs）最先由Taylor[3]提出并被應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼上。一般說來，常規(guī)的平板式渦流發(fā)生器都是垂直安放在機(jī)翼上表面邊界層內(nèi)，并與當(dāng)?shù)貋砹鞅３忠欢ǖ膫?cè)向夾角。半個多世紀(jì)來，由于VGs 技術(shù)安裝工藝簡單、經(jīng)濟(jì)性高，渦流發(fā)生器在飛機(jī)、擴(kuò)壓器和渦輪葉片，甚至先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上均有應(yīng)用[4]，目前在國內(nèi)不少風(fēng)電場中已經(jīng)被批量應(yīng)用[5-6]。Lin[7]針對微型VGs 進(jìn)行了風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬，得到了渦流發(fā)生器安裝位置應(yīng)該離分離點較近的結(jié)論。Johansen等[8]使用CFD 技術(shù)，分別將模型兩側(cè)的邊界條件設(shè)置為對稱邊界和周期性邊界，研究了VGs 對風(fēng)力機(jī)葉片氣動性能的影響。張磊等[9]采用CFD方法對光滑葉片段及安裝VGs后的葉片段分別進(jìn)行了模擬，得到了翼型的氣動特性曲線，對比了14°攻角下兩種情況的流動特性，分析了VGs 對控制流動分離的機(jī)理。趙振宙等[10-11]考慮轉(zhuǎn)捩效應(yīng)的影響，比較了SST全湍流模型和Gamma-Theta 轉(zhuǎn)捩模型對翼型升阻力和壓力系數(shù)分布的區(qū)別，研究結(jié)果表明轉(zhuǎn)捩模型計算升力系數(shù)曲線和升阻比曲線與試驗值更加吻合。

目前的研究更多針對VGs 流動機(jī)理的探討，對于渦流發(fā)生器的高度和長度的相關(guān)研究較少，因此本文針對渦流發(fā)生器高度和長度對于翼型氣動特性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 計算模型

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

翼型選用DU 系列風(fēng)力機(jī)專用翼型DU97-W2-300 為研究對象[12]，翼型弦長為1 m，翼型的展向長度為0.175 m，模型如圖1所示。

圖1 幾何模型

圖2 渦流發(fā)生器尺寸參數(shù)

VGs均安裝在翼型弦長20%處，幾何尺寸示意圖如圖2所示。VGs 形狀為三角形，h 為VGs 高度，l 為VGs 長度，α為VGs 攻角，δ為1 對VGs 的前緣距離，D 為VGs 的排列周期。VGs長度為分別20 mm、24 mm、28 mm、32 mm，VGs高度分別為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm和9 mm。渦流發(fā)生器攻角均為16.4°，每組內(nèi)的2 個三角形葉尖距離為10 mm，相鄰的2組VGs的排列周期為35 mm。網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對VGs 處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，第1 層網(wǎng)格高度為0.01 mm，網(wǎng)格增長率為1.1，保證y+≤1.5，網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

1.2 數(shù)值模擬方法

翼型計算雷諾數(shù)為Re=2.0×106，攻角范圍為12°～22°，所采用的數(shù)值計算方法與文獻(xiàn)[11]相同，即使用轉(zhuǎn)捩模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，定義三維翼型兩側(cè)的斷面為周期性邊界條件。

2 計算結(jié)果分析

2.1 渦流發(fā)生器高度對翼型氣動性能的影響

圖4所示為VGs長度為20 mm和28 mm時，不同VGs高度下的升阻力變化規(guī)律。

圖4 翼型升力系數(shù)隨VGs高度的變化規(guī)律

從圖中可以看出，安裝VGs 后翼型的臨界攻角均得到了提升，而該翼型的風(fēng)洞試驗結(jié)果顯示其臨界攻角為12.37°，升力系數(shù)為1.562，說明VGs 能夠有效地抑制流動分離。當(dāng)VGs長度為20 mm，高度分別為5 mm、6 mm時，翼型的失速攻角為18°；高度為7 mm、8 mm 和9 mm時，翼型的失速攻角為20°；而當(dāng)VGs 長度為28 mm，高度為5 mm時，翼型的失速攻角為18°；VGs高度為6 mm和7 mm，翼型的失速攻角為20°；VGs高度為8 mm和9 mm時，22°攻角下翼型還未失速。當(dāng)攻角為20°、VGs 高度為6 mm時，VGs 長度28 mm 的翼型升力系數(shù)大于VGs長度20 mm的翼型升力系數(shù)，VGs長度的增加能夠提升翼型的失速攻角。在計算攻角12 °～22°范圍內(nèi)，相同攻角下，VGs 高度越高，升力系數(shù)越大；攻角為20°和22°時，升力系數(shù)迅速下降，這是由于VGs高度較小，導(dǎo)致VGs的擾流作用減小直至失去作用；VGs高度為6 mm和7 mm，翼型的失速攻角為20°；VGs 高度為8 mm 和9 mm時，22°攻角下翼型還未失速，這表明適當(dāng)增加VGs高度可以提升翼型的失速攻角。而當(dāng)VGs 高度不夠時，雖然VGs 也能夠分割氣流形成渦流，但是其注入渦流能量較小，導(dǎo)致近壁流體增加的動量和能量較其他高度也較小，因此升力系數(shù)也較小，在VGs設(shè)計時需要充分考慮其高度。

截取如圖5 所示的位置1 和位置2 對應(yīng)的截面，截面1 為每組VGs的中心線，截面2為相鄰2組VGs的中心線。圖6所示為截取VGs 高度分別為5 mm、7 mm 和9 mm，攻角分別為14°、18°和22°時截面2 的流線圖。從流線圖中可以看出，當(dāng)攻角為14°時，3 種高度下翼型尾緣處均未有明顯的分離區(qū)域；當(dāng)攻角為18 °時，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)VGs高度為5 mm時，翼型尾緣的分離區(qū)域較VGs 高度為7 mm 和9 mm 的區(qū)域較大，而VGs 高度為9 mm時，翼型尾緣幾乎沒有分離；當(dāng)攻角為22°時，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)VGs 高度為5 mm時，翼型尾緣的分離嚴(yán)重，分離區(qū)域較大，當(dāng)VGs高度為7 mm，翼型尾緣區(qū)域依然有較大的分離，但較VGs高度為5 mm時有很大改善，當(dāng)VGs高度為9 mm時，翼型尾緣的分離區(qū)域變得很小。這表明，隨著VGs 高度的增加，當(dāng)流體沿著翼型表面流動并掠過VGs時，能夠提升所形成的渦流能量，與近壁低能量流體混合后的流體能量也會增加，在混合后的流體所經(jīng)過的距離不變的情況下，提升VGs 高度能夠有效抑制翼型尾緣的分離區(qū)域，可以預(yù)測當(dāng)VGs 高度繼續(xù)增大，在攻角為22°時，翼型尾緣區(qū)域?qū)⒉粫蛛x。

圖5 位置1和位置2

圖6 不同攻角下截面2的流線圖（左：5 mm；中：7 mm；右：9 mm）

2.2 渦流發(fā)生器長度對翼型氣動性能的影響

圖7所示為VGs高度為6 mm和VGs高度為8 mm時，不同的VGs 長度下翼型升力系數(shù)的變化圖。從圖中可以看出，當(dāng)VGs 高度為6 mm時，最優(yōu)的VGs 長度為24 mm，最差的VGs長度為20 mm，長度為28 mm和32 mm相差不多。這是因為當(dāng)VGs 高度為20 mm時，渦流發(fā)生器所產(chǎn)生的渦流未得到充分發(fā)展就與近壁流體相融合，造成大攻角下渦流發(fā)生器的效果欠佳；當(dāng)VGs 高度為24 mm時，渦流發(fā)生器所產(chǎn)生的渦流得到了充分的發(fā)展，注入到近壁流體中的能量和動量很大，渦流發(fā)生器對翼型氣動性能的效果最佳；而當(dāng)VGs 長度進(jìn)一步增大到28 mm 和32 mm時，由于長度的增加，渦流發(fā)展的距離增加，導(dǎo)致最終與近壁流體混合的渦流能量和動量變小，因此翼型的升力系數(shù)變小。當(dāng)VGs 高度為8 mm時，最優(yōu)的VGs長度為28 mm；VGs長度為20 mm和24 mm時，相同攻角下其翼型的升力系數(shù)相當(dāng)，這表明在VGs 高度一定的情況下，VGs 長度可能在某一范圍內(nèi)對翼型升力系數(shù)的影響非常小。基于以上分析，可以預(yù)測在渦發(fā)生器的設(shè)計必須充分考慮其高度和長度的比例，尋找較優(yōu)的尺寸。

圖7 不同VGs高度對升力系數(shù)的影響

圖8 所示為VGs 高度為8 mm時不同VGs 長度下截面1 和截面2的壓力分布圖。從圖中可以看出，交線1上壓力分布均出現(xiàn)負(fù)壓峰值，交線2上均出現(xiàn)負(fù)壓谷值。對于單個渦流發(fā)生器而言，當(dāng)氣流經(jīng)過時，其兩側(cè)變成了壓力面和吸力面，造成兩側(cè)壓力的不平衡形成高能量的渦流，注入到近壁低能量氣流后，增加了近壁流體的動量和能量，從而抑制邊界層的分離，推遲翼型失速。對交線1和交線2出現(xiàn)的峰谷值部分進(jìn)行放大，可以發(fā)現(xiàn)壓力分布都是從VGs的安裝位置0.2 m處開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)，壓力分布呈現(xiàn)不均勻變化，一直到0.24 m 處又變得平緩，這是因為渦流發(fā)生器形成的高能量渦流注入到近壁低能量氣流后，隨著流體的混合，近壁流體的動量和能量變得不均勻，一直到0.24 m 處近壁流體的動量和能量又將重新變得穩(wěn)定。圖中顯示，VGs長度為20 mm和24 mm時，VGs前后的壓力分布基本重合，這與圖中的升力系數(shù)曲線變化是一致的，改善翼型的氣動性能說到底是要改變翼型表面的壓力分布。

圖8 VGs高度8mm下翼型表面壓力分布

3 結(jié)束語

（1）渦流發(fā)生器能夠有效提升翼型的失速攻角，VGs 長度為20 mm 和28 mm時，VGs 高度為9 mm時效果最佳；在VGs高度一定的情況下，VGs高度減小會造成翼型升力系數(shù)的下降和失速攻角的減小。

（2）VGs 高度為6 mm時，VGs 長度為24 mm時提升效果最佳；VGs 高度為8 mm時，VGs 長度為28 mm時提升效果最佳。在VGs 高度確定的情況下，存在一個渦流發(fā)生器的長度范圍能夠使得渦流發(fā)生器的增功減阻的效果最佳，為設(shè)計適合于風(fēng)場中的風(fēng)力機(jī)葉片的渦流發(fā)生器提供了指導(dǎo)。