翼型多种流动控制方式的仿真与分析
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摘 要：当今的风电领域，风力发电机的气动性能以及在机组翼形流动控制方面的问题依然是阻碍风电技术向前快速发展的障碍物。因此，研究、修正风力发电机叶片的翼型形状，从而进一步优化其气动性能已经成为了提高风力发电机风能利用系数、大幅度降低风力发电成本的最根本且最有效的措施。本文旨在探究风力发电机翼型附近的流场分布。选用S809翼型，用ANSYS Fluent软件分别模拟干净的翼型、传统襟翼翼型和格林襟翼翼型的二维流动状况，进一步分析其流动控制的优缺点，对比其升阻力系数的变化等。所得结果在风力发电机翼型种类的选择和研究两个方面可以作为有效的参考依据。
关键词：风力机 流动控制 数值模拟 S809翼型
中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（c）-0023-02
1 二维翼型的形状及网格划分
针对S809型号下干净的翼型、传统襟翼翼型（襟翼偏转角度为15°）、格林襟翼翼型（h=2%C）进行了数值模拟计算。根据S809翼型的数据，使用ICEM CFD前处理软件分别建立出三种特定翼型的二维模型以及网格划分。
本文计算中，采用的是C型结构网格，近壁面采用粘性网格，网格量为1.7×105。翼型的上表面和下表面均使用固定壁面边界条件，对上游流入的流体使用速度入口条件，对下游无限远处使用压力出口，其中静压大小为0Pa，凭借对网格的顺时针旋转来改变流动攻角。同时，本次计算中采用SST k-omega模型，翼型弦長是1m，以此弦长为特征长度的雷诺数是，来流风速设为7m/s。
使用Fluent软件进行数值模拟，得出不同翼型的升阻力系数变化和翼型在不同迎角下的流谱、压力云分布等二维流动状况。
2 升阻力系数对比分析
在进行Fluent软件数值模拟计算的过程中，凭借对网格的顺时针旋转来改变三种翼型的流动攻角。在攻角为-4°～24°的区间内，对流动攻角每隔2°进行一次旋转。随后通过计算得出三种翼型的升阻力变化系数，最后根据数据绘制出相应特性曲线。
通过三种特性曲线对比可知，干净翼型在攻角为6°时取得最大升阻比为38.82;传统襟翼翼型在攻角为6°时取得最大升阻比为40.45;格林襟翼翼型在攻角为2°时取得最大升阻比为39.44。
对于风力发电机的翼型而言，升阻比的数值愈大，证明其空气动力性能愈好，气动效率愈高。因此，根据数值模拟计算可知，三种翼型中气动性能相对最好、气动效率相对最高的是传统襟翼翼型，其次是格林襟翼翼型，最后是干净的翼型。
3 不同迎角下的翼型压力变化情况
在进行了三种特定翼型的Fluent数值模拟计算后，挑选出几组不同攻角下（0°、4°、8°、10°、16°、24°）的同种翼型，汇总数据并绘制出压力云分布图，对比并分析干净的翼型、传统襟翼翼型、格林襟翼翼型叶片压力变化情况得到如下结论。
S809干净的翼型其攻角在0°～16°的区间内，随着攻角的增加，翼型下翼面的压力逐步增加，翼型上翼面的吸力逐步增加。翼型前缘和尾缘压力也逐步增加;然而当攻角大于16°后，翼型上翼面的吸力逐步下降，翼型中部和下部的压力也有明显的降低，这是因为干净的翼型在攻角为16°时发生了失速的情况，使得翼型的气动性能和气动效率有了明显的下降;S809传统襟翼翼型其攻角在0°～8°的区间内，随着攻角的增加，翼型下翼面的压力逐步增加，翼型上翼面的吸力也逐步增加，翼型前缘和尾缘压力也逐步增加;然而当攻角大于8°后，翼型上翼面的吸力和下翼面的压力也开始逐步降低，这是因为传统翼型在攻角为8°时发生了失速的情况，使得翼型的气动性能和气动效率有了明显的下降。然而当攻角在10°～24°这个区间的时候，翼型上翼面和下翼面分别所受的吸力和压力不是很稳定，呈先增加后降低的态势;S809格林翼型攻角在0°～10°的区间内，随着攻角的增加，翼型下翼面所受的压力在增加，翼型上翼面所受的吸力也在增加。翼型前缘和尾缘所受的压力同样也在逐步增加;然而当攻角大于10°后，翼型上翼面的吸力逐步下降，翼型下翼面的压力也开始逐步下降，同时翼型中部的压力也有了明显的降低，这是因为格林襟翼翼型在攻角为10°时发生了失速的情况，使得翼型的气动性能和气动效率有了明显的下降。
4 不同迎角下的流谱分析
在进行了三种特定翼型的Fluent数值模拟计算后，挑选出几组不同攻角下（0°、6°、16°、24°）的同种翼型，汇总数据并绘制出速度流线图，对比分析干净的翼型、传统襟翼翼型、格林襟翼翼型流谱变化情况得到如下结论。
S809干净翼型在小攻角和中等攻角时，没有发生翼型分离现象。在攻角为16°时，翼型后缘开始出现分离，并形成了逆时针旋转的涡，翼型开始发生失速现象。在攻角为16°～24°的区间内，翼型失速现象愈发严重;在攻角为24°时，翼型前缘都已发生分离，并形成旋转方向分别为顺时针和逆时针两个涡;S809传统襟翼翼型在小攻角时，没有发生翼型分离现象。在攻角为6°时，传统襟翼翼型的尾缘气流向上卷起，不过此时通过对其升阻比的分析，它的气动性能与气动效率都为最优。在攻角8°时，翼型后缘逐步发生分离，翼型开始失速。在攻角为8°～24°的区间内，翼型失速现象愈发严重;在攻角为24°时，翼型前缘已发生分离，翼型完全失速，并形成顺、逆时针旋转的两个涡;S809格林襟翼翼型在小攻角时，不会发生翼型分离现象。在攻角为10°时，翼型出现时速现象，并在分离后襟翼的上部形成了一个顺时针旋转的涡。在攻角为10°～24°的区间内，翼型失速现象愈发严重;在攻角为24°时，翼型前缘已发生分离，翼型处于完全失速状态，并形成了旋转方向为逆时针的涡。
5 结语
通过本文的研究分析得出了以下主要结论。
（1）S809干净翼型的失速攻角为16°，传统襟翼翼型的失速攻角为8°，格林襟翼翼型的失速攻角为10°。
（2）三种特定翼型中，传统襟翼翼型的升阻比相对较高，空气动力学性能相对较好，气动效率也相对较高。
（3）二维翼型的表面压力分布对攻角的变化十分敏感，尤其是在翼型吸力面前缘的吸力锋随着攻角的变化十分明显。 通过CFD计算叶片截面的压力分布，可以确定当地入流攻角的大小。
（4）二维翼型周围的流场分布变化与迎角的变化有着十分密切关系。其中S809干净翼型在小攻角和中攻角时，翼型无分离;在大攻角时，翼型出现后缘分离。S809传统襟翼翼型和S809格林襟翼翼型在小攻角时，翼型无分离;在大攻角和中攻角时，翼型出现后缘分离。
参考文献
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