（南京航空航天大学 210000）
摘要：利用风力机来对风能进行转化并充分使用风能是十分重要课题，对风力机减阻及其效果的研究具有重大的意义。本文就涡流发生器对风力机专用翼型气动特性的影响做出深入的分析和探讨。本文的研究对象是直叶片段，将涡流发生器安装在叶片段百分之二十处。
关键词：涡流发生器；风力机；翼型；气动
为了使叶片的结构强度增加，往往在大型风力机叶片的中部至根部使用厚度较好的风力机专用机翼，这样根部翼型的厚度可以达到百分之六十弦长。对于厚翼型来说，其自身的流动分离就是十分容易发生的，而根部的流动分离更容易发生，尤其是在非设计的情况下更加加剧了分离的可能性。本文研究了涡流发生器对风力机专用翼型气动性能的影响，通过模拟涡流发生器的安装以及其安装个数来分析出涡流发生器对风力机专用翼型的影响方式和它的控制机理。
1模型规划
模型的建立对模拟实验的进行有这至关重要的作用。所以第一步就要进行模型规划，通过模型来模拟实验的进行，以此来进一步研究涡流发生器对风力机专用翼型气动特性的影响。
1.1建立几何模型
在本文中选用翼型DU91—W2—250，它的特色在于它的最大厚度为25%，尾缘厚度为0.65%。首先将该翼型沿着垂直于翼型平面的直线积叠，得到直叶段，其展长为0.175米，为保证实验的统一性，同样取弦长为0.6米。通常来说，涡流发生器安装的位置需要经过一定的研究的。在本文模拟实验中，一致将涡流发生器安装在20%弦长处，在这里粘贴涡流发生器，一般为三角形。但是涡流发生器的尺寸相对于叶片来说很小，通常只有几个毫米。如果完全按照实际情况模拟实验，则第二步的网格难以生成，且网格数难以接受，所以，需要对模型进行简化。一般而言，涡流发生器是有一定周期性的排列在展向上的，同样，流场的结构也是具有与涡流发生器一样的周期性。所以说，本实验的几何模型需要简化为在一个比较扁平的计算范围，还需要包含一对或者几对涡流发生器。在本实验中，为了降低周期数太少对模拟实验产生的影响，实验中的模型采用5对涡流发生器。
1.2划分网格
本实验采用划分网格的方式为gambit生成的非结构网格。这种方式生产的网格，六面体网格都在边界层。第一层的网格厚度大约为0.223毫米，y+值大约在30左右。并且生产的总网格数为225万个。这些数据都符合本实验模型的要求。从生成的网格来看，在涡流发生器的局部都使用非结构网格，这是为了降低网格的生成难度。然而涡流发生器的厚度只有几个毫米，所以在网格规划时需要用无厚度的双侧平面来代替涡流发生器。这样做有三个好处：一是可以将涡流发生器的厚度忽略，二是方便网格的生产，三是在进行对比计算时，由于网格数相同所以不需要再次生成网格，只需要将涡流发生器的界面边界换成内部界面，可这样可以去除由于网格数的不同而造成的计算误差。
1.3物理模型
风力机专用翼型的流动属于不可压缩的低速黏性流动，其控制方程需要通过湍流模型来得出。在fluent中进行数值模拟计算，选用基于压力定常求解器simple算法。湍流模型为S—A模型，它对网格密度的要求并不高，并且需要计算的数据少，还具有较高的精度。此外，它的控制方程的差分格式除了压力方程外都是二阶迎风格式，适合实验要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在安装好涡流发生器后，计算典型工况下的气动参数，并且为了对流动进行更仔细的分析，需要计算在14度攻角下光滑翼型的气动特性。
2实验结果与分析
通过模拟实验，我们得到一系列数据，需要通过某些手段对数据进行处理分析，得到结论，以便做出更好的整改方法。
2.1比较实验值与计算值的差距
实验值是由Delft大学在开发DU系列翼型族进行实验得出的结果，实验中各个设定值都与本文的模拟值一致。将该实验值与本文的模拟值反映在一张折线图了上可以发现，除了在18度攻角时的计算误差较大以外，其他的误差基本都控制在10%以内。并且实验值与模拟值的变化趋势基本是一致的，满足本文对涡流发生器对风力机专用翼型气动特性影响的研究。
2.2分析涡流发生器对叶段表面压力分布的影响
流体在翼型上表面沿着一定规律流动着，当流动到涡流发生器附件时，会受到涡流发生器的诱导，从而在下游产生漩涡，并且具有高能量。受这种诱导的影响，流体的流动状况和参数会发生较大的改变，特别是在涡流发生器的附件和下游。同时，在展向和流向上都会表现出不均匀的特点。为了直观的了解参数的改变，需要在5对涡流发生器的其中一个的两侧做出两条线型。两条线型分布位于两侧的中心位置，在叶段涡流发生器的附件。可以发现，其中一条线型上呈现出负压峰值，而另一条线型上呈现负压谷值。对比涡流发生器的安装位置可以发现，涡流发生器相对主流方向有一大小约为16.4度的攻角。这使得单片涡流发生器的两侧分别变成了压力面和吸力面，而压力面和吸力面的压力分布的不均匀，这些就是导致涡流形成的本质原因，也是出现压力波峰与压力波谷的根本因素。再深入的分析压力在展向上的改变，可以清晰的发现压力呈现有规律的周期性的变化。
2.3总结涡流发生器抑制边界分层的流动机理
通过前面一系列的分析可以看出，在没有安装涡流发生器之前，流体经过涡流发生器时，在其顶端会卷起流向涡，从而导致壁面附件的流动发生改变，通过模拟图像可以清楚的观察到这一现象。
通过界层流动理论的基本概念可以发现，流体流动的分离与否和流体的速度及逆压梯度有着十分紧密的关系。当边界层流体的速度越小和流体等能量越低时，流动分离越容易发生。可以得到在光滑叶段和在安装涡流发生器之后，三处不同弦向的展向的平均速度比较图。图中，h是在壁面法向上的高度，u/U是垂直垂直于壁面法向的速度与主流速度的比值。通过分析可以发现，在70倍涡流发生器的高度，对应的弦长为78.3%。可以得出这样的一个结论，当流体经过涡流发生器时，会有高能量的涡流产生，从而导致叶段壁面周围的流体的平均速度和平均动量增加，进一步造成抑制边界层的分离，减小失速，最终达到减阻的目的。
3总结
通过上文的一系列分析和研究，可以发现涡流发生器对风力机专用翼型气动特性的影响是多方面的多层次的。本文在模拟实验时，采用多组涡流发生器更加贴近实际的模拟流动现象，从各个方面揭示了涡流发生器是如何抑制流动分离的。但本文中的模拟实验也有不足之处，没有考虑涡流发生器对整个叶片的影响，下一步的工作将围绕这个开展，做出进一步的研究。
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论文作者:吴江
论文发表刊物:《电力设备》2015年6期供稿
论文发表时间:2016/1/12
标签：涡流论文; 发生器论文; 网格论文; 风力论文; 模型论文; 流体论文; 厚度论文; 《电力设备》2015年6期供稿论文;