高風速下腐蝕翼型的氣動特性研究

王龍 李相偉 胡南云 李亮 周毅鈞

摘 要：外場工作風力機葉片會受到環境腐蝕，導致風力發電機氣動性能下降，發電效率降低。為研究腐蝕翼型的氣動性能變化，建立9種腐蝕模型，計算4種風速（30m/s、35m/s、40m/s、45m/s）下腐蝕翼型的氣動性能，分析翼型形狀與腐蝕位置的變化對翼型氣動性能的影響。數值模擬結果表明來流風速與翼型的升阻力成線性關系;S803翼型的氣動性能優于S802和DU93翼型，DU93翼型發生腐蝕缺陷，氣動性能表現最差;高速流體流過翼型缺陷位置，在缺陷位置發生流動分離形成渦旋流場，導致翼型氣動性能降低。研究結果有利于惡劣環境下的風力機葉片選型及葉片的后期維護。

關鍵詞：腐蝕翼型;氣動性能;高風速;流動分離

中圖分類號： TM315文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2021）02-0016-07

收稿日期：2020-09-30

基金項目：安徽省自然科學基金資助項目（1708085QE123）

作者簡介：王龍（1984-），男，安徽蚌埠人，副教授，博士，研究方向：風力機設計及風力機振動特性。

Research on Aerodynamic Characteristics of Corroded Airfoil under High Wind Speed

WANG Long1，LI XiangWei1， HU NangYun2， LI Liang3， ZHOU YiJun1

（1.School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science and Technology， HuainanAnhui 232001，China;2.SafetyEvaluation DepartmentNanchang Anda Security Technology Consulting Co. Ltd.， NanchangJiangxi 330000， China;3.School of Mechanics and Optoelectronics Physics， Anhui University of Science and Technology， HuainanAnhui 232001，China）

Abstract：In the working field， the blades of wind turbines could be corroded by the environment， which would cause the aerodynamic performance of the wind turbine to decrease. Then the efficiency of power generation would decrease. In order to study the changes in the aerodynamic performance of the corroded airfoil， nine corrosion models were established to calculate the aerodynamic performance of the corroded airfoil under four wind speeds （30m/s， 35m/s， 40m/s， 45m/s）. The influence were analyzed of the change of the shape and position of the corroded airfoil to its aerodynamic performance. Numerical simulation results show that the incoming wind speed has a linear relationship with the lift drag of the airfoil， that among the three types of airfoils， the aerodynamic performance of the Type S803 is better than the Types of S802 and DU93 and the aerodynamic performance of the Type DU93 will be the worst when it has a corroded defect and that when the high-speed fluid flows through the defect location of the airfoil， it will form a vortex flow field resulting in a decrease of the aerodynamic performance. The research results are conducive to the selection of wind turbine blades and the later maintenance in harsh environments.

Key words：corroded airfoil; aerodynamic performance; high wind speed; flow separation

風沙、雨水長時間沖刷風力機葉片后，會導致葉片表面出現腐蝕現象，改變葉片表面粗糙度，該現象對風力機葉片發電效率極為不利。一旦該缺陷得不到修復，有可能會導致葉片出現裂紋擴展的現象，將嚴重影響風力發電機的發電穩定性和使用壽命。

文獻[1]采用數值模擬方法，對FFA-W3-301 和FFA-W3-211翼型的氣動性能進行分析，模擬結果的升力系數與阻力系數與風洞實驗[2]的結果有較好的一致性，同時發現翼型表面粗糙度對風力機風能轉化率有很大影響。文獻[3-4]等根據實際工作中風力機葉片磨損狀況，建立三種缺陷翼型幾何模型，基于CFD方法，研究風力機葉片磨損對其氣動性能的影響，發現葉片磨損加劇翼型尾緣附近的流動分離，同時磨損程度越大，葉片的升力系數越小，阻力系數越大。文獻[5]等人研究海上風力機葉片水滴撞擊問題，發現水滴撞擊會導致葉片前緣出現腐蝕問題，破壞葉片表面完整度，進而降低風力機的氣動性能，影響發電效率。文獻[6]等通過CFD瞬態模擬方法，研究NACA 64-618翼型腐蝕狀態下的氣動性能，發現葉片的升力系數降低一半，阻力系數增大三倍，嚴重影響風力發電效率。文獻[7]等數值模擬仿真DU91_W2_250型風力機葉片的動態失速特性，發現折合頻率與振動幅度的增大會加劇葉片的動態失速，導致氣動性能變差。文獻[8]等在NACA0018翼型表面裝置固定氣動彈片，并分析氣動彈片對翼型的氣動性能影響，研究發現增加氣動彈片可提高葉片的氣動新能。文獻[9]以NACA4412翼型為基礎，設計多種傾斜角度葉尖，研究葉尖小翼結構變化對葉片氣動性能的影響，結果發現大斜角葉尖小翼會改善葉尖繞流，提高風力機輸出功率。文獻[10]在高風速條件下研究環境參數對翼型的動態失速的影響，發現隨著風速的增大，葉片升力系數逐漸增大，最大升力攻角與之成正比。文獻[11]使用N-S方程研究在不同位置開射流口對S809翼型氣動性能的影響，結果發現射流位置于3/4弦長處，攻角18°時升阻比可提高一半，極大改善翼型的氣動性能。文獻[12]等采用CFD方法，研究開縫分布位置對風力機葉片氣動性能的影響，發現大攻角下射流會抑制流動分離現象，開縫位置于1/2弦長處對，升力系數顯著提高。文獻[13]等分析研究同一系列不同翼型厚度對風力機氣動性能的影響，結果發現NACA0012翼型厚度對風力機的各氣動參數有較大的影響，在同一系列翼型中存在一最佳翼型厚度。文獻[14]研究大氣穩定性和表面粗糙度對風力發電機氣動性能的影響，發現當來流不穩定時，氣體流過葉片高低不平粗糙度表面時，會在葉片尾緣產生渦旋尾跡，降低葉片升力系數。文獻[15]通過3D CFD模擬分析NREL VI型空氣動力學特性，將S809替換S826型機翼后，發現葉片流動分離現象延遲，其中S826翼型升力系數增加了23.7%。

總體來看，風力機葉片的翼型形狀以及葉片的表面粗糙程度會對實際工況時的風力機的發電效率產生很大影響。目前國內外學者多研究單一翼型發生腐蝕狀況時的葉片氣動性能，較少關注同一型號翼型發生腐蝕和腐蝕位置變化之間的變化狀況。

本文采用SSTκ-ω湍流模型，以S802、S803和DU93翼型為基礎，設計3種不同腐蝕位置，建立9種腐蝕翼型模型，在4種高風速下，基于CFD方法數值分析翼型形狀的變化以及腐蝕位置的變化對葉片氣動性能的影響。所做工作有利于不同環境下的葉片選型及葉片的后期維護，提高惡劣環境下的風力機發電效率。

1 腐蝕翼型的等效模型

本文對不同型號翼型以及不同腐蝕位置進行仿真分析，研究形狀與腐蝕位置變化對翼型氣動性能的影響。

模擬腐蝕缺陷模型的時候，是在翼型吸力面的不同位置增加凹槽，凹槽長為0.5mm，寬為1mm，研究不同位置的凹槽對翼型氣動性能的影響，三種缺陷位置分布如圖1所示。

2 數值計算模型

2.1 網格劃分

本文利用Mesh軟件生成9套網格模型，圖2為整體網格結構。使用三角形非結構化網格，同時對翼型附近流場域進行加密處理保證計算精度的準確性。

2.2 腐蝕翼型網格

30%弦長腐蝕點記作X=0.3，45%弦長腐蝕點記作X=0.45，60%弦長腐蝕點記作X=0.6。翼型前緣首先受到高速流體沖擊，壓強較大，為保證仿真模擬的精準度，對腐蝕缺陷位置和翼型前緣、尾緣進行加密處理，各工況下的翼型網格如圖3所示。

3 計算結果與分析

3.1 不同翼型形狀的影響

其它設置條件未變，僅改變來流風速（30m/s，35m/s，40m/s，45m/s），分析S802、S803和DU93翼型對應的腐蝕翼型在風速變化工況下的氣動性能，其各自對應的升力變化曲線與阻力變化曲線如圖4和圖5所示。各工況下升阻力數值如表1～表3所示。

隨著風速的增大，三種翼型的升力與阻力都逐步變大，且升阻力大小與風速大小成線性增長關系。升力變化：當腐蝕缺陷位置為X=0.3時，S802與DU93翼型升力數值較小，S803翼型的升力最大，氣動性能相對最優;X=0.45與X=0.46時， S803翼型的升力數值最大，S802升力小于S803，DU93翼型氣動性能相對較差;S803翼型隨著腐蝕缺陷的變化，升力變化較為平緩，彼此數值相差不大。氣體沿著翼型前緣開始流動，流動到腐蝕缺陷點位置，會提前產生流動分離現象，降低翼型的氣動性能，其中S803翼型抗腐蝕性能較好，腐蝕位置的變化對其升力變化的影響很小。阻力變化：S802翼型腐蝕缺陷位置為X=0.6時，阻力最小;DU93在X=0.45時，對應的阻力最小;S803翼型隨著腐蝕位置的變化，阻力也產生相應的變化。

3.2 不同腐蝕位置的影響

翼型不同位置發生腐蝕缺陷，會改變翼型表面流線結構，流體流過翼型表面時，就會造成氣動性能的改變。為研究S802、S803和DU93翼型抗腐蝕性能，現比較分析三種腐蝕缺陷位置時，翼型在各工況下的氣動性能，其對應的升力變化曲線與阻力變化曲線如圖6和圖7所示。

當腐蝕缺陷位置為X=0.3時，S803翼型相較于S802 與DU93，相同工況下升力數值最大，氣動性能最好，其中S802氣動升力略小于S803，DU93相對氣動升力最差。當腐蝕缺陷位置為X=0.45與X=0.6時，S803翼型氣動升力最大，氣動性能最優，相較于X=0.3的工況S802與S803氣動升力數值相差很小。這表明，當翼型表面發生意外腐蝕，造成翼型結構缺陷時，隨著風速的增大，三種翼型的氣動升力業隨之增大，其中S803翼型抗腐蝕干擾最強，氣動升力性能最好。高風速流體沿著翼型前緣快速向后緣流動，當流體經過X=0.3時，流體處于快速上升過程，DU93翼型結構受到腐蝕缺陷影響較大，氣動升力最小，氣動性能相對最差;當流體經過X=0.45與X=0.6處時，S803與S802氣動性能相差較小，氣動性能均優于DU93翼型。

當高速空氣流體流經三種腐蝕缺陷位置時，會于缺陷處產生渦旋增加氣動阻力，降低了翼型原有的氣動性能。DU93翼型產生的阻力最大，其氣動性能低于S802與S803翼型。X=0.3時，S802翼型產生的氣動阻力最小;X=0.45與X=0.6時，S803翼型產生的氣動阻力最小，S802氣動阻力略大于S803。

3.3 流場分析

由上可知，S803翼型的氣動升阻力性能優于S802與DU93模型，為了進一步分析S802與DU93翼型結構發生腐蝕缺陷時氣動性能變差原因，選取腐蝕缺陷位置為X=0.3與X=0.45，來流速度為30m/s與45m/s，其對應的流場與壓強分布如圖8與圖9所示。

高速流體首先撞擊到翼型前緣，對翼型前緣造成較大的正壓強，然后沿著翼型的上表面和下表面向后流動。因下表面結構完整沒有缺陷，流體沿著光滑的下表面向后流動時，流線較為平緩，對壁面產生的壓強較小且呈均勻分布。流體從翼型上表面向后流動，經過腐蝕缺陷處時，在缺陷位置產生較強的渦旋，致使翼型腐蝕位置產生較大的負壓強，導致翼型腐蝕位置出現局部負壓場，嚴重影響翼型的升阻力，極大降低了翼型的氣動性能。

DU93翼型，X=0.3、v=30m/s時壓強變化范圍為-629～529Pa;X=0.3、v=45m/s時壓強變化范圍為-1 435～1 193Pa;X=0.45、v=30m/s時壓強變化范圍為-670～580Pa。S802翼型，X=0.3、v=30m/s時壓強變化范圍為-471～516Pa;X=0.3、v=45m/s時最大壓強變化范圍為-1 092～1 163Pa; X=0.45、 v=30m/s時壓強變化范圍為-452～515Pa。 來流速度越大， 流體對翼型造成的正負壓強越大， 相應的升阻力也越大。 當腐蝕位置從X=0.3后移到X=0.45，DU93翼型的正負壓強變大，升阻力數值波動變大，而S802翼型，流場流線較為平穩，壓強變化不大，升阻力數值波動平緩。結果表明當翼型發生腐蝕缺陷時，S802翼型的氣動性能整體優于DU93翼型。

4 結論

本文在定常工況下對高風速下腐蝕翼型的氣動性能進行研究，分析對比三種翼型在不同風速、不同腐蝕位置下的氣動性能變化。發現翼型形狀的變化與腐蝕位置的改變都會造成翼型氣動性能的變化。

（1）翼型的升阻力大小與來流風速成線性增長關系，流速越大，翼型產生的升力越大。

（2）隨著腐蝕缺陷位置的改變，S803翼型升阻力變化很小，氣動性能力變化較為平緩。S803翼型整體氣動性能最優，而當腐蝕位置為X=0.45與X=0.6時，S803升力比S802高1.2%左右，二者氣動性能差距很小。

（3）翼型發生腐蝕缺陷，高速流體流過翼型缺陷位置時，發生流場分離，在翼型缺陷位置形成渦旋流場，產生極強的的負壓流場域，最終導致翼型氣動性能降低。

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（責任編輯：李 麗）