缩进式Gurney襟翼对风力机流动控制的数值研究

采 用 有 限体 积 法离 散控 制 方 程 ， 流项 采用 二 对 阶迎 风格 式 ， 散项采 用 中心差分 格式 ， 力 速度耦 扩 压 合采 用基 于压力 的耦合 算 法 处理 ， 散 代 数 方程 组 离 采用 Ｇ ｕ ｓ ｅｄｌ ａ ｓ —Ｓ ｉｅ 迭代 法求解 ．
２ 计 算 结 果 分 析
献 ［２ 通 过 风洞模 型 实 验 ， １］ 在垂 直 轴 风 力 机 叶片 尾 缘 加装 不 同高度 的正 常式 Ｇ ｒｅ 襟 翼 ， 过测 量 风 ｕｎ ｙ 通 力机 功率 发 现 ： 垂 直 轴 风力 机 叶 片 尾缘 加 装 Ｇ ｒ 在 ｕ— ｎｙ襟 翼能 够 提 高 风 力 机 发 电功 率 ， 探 讨 了 Ｇ ｒ ｅ 并 ｕ－ ｎｙ襟 翼控 制 风力机 性 能 的流动 机理 ． ｅ 作者 对 大 厚 度 、 雷 诺 数 风 力 机 专 用 翼 型 低
２ １一 ｐ ＇ ～ Ｏ （ Ｆ ） ｏｏ １ ｋ ， ２
Ⅲ ｕ Ｊ Ｏ ＾ ｝
（） ２
数值 研究 ， 讨缩 进 式 Ｇ ｒｅ 探 ｕｎｙ襟 翼对 风 力 机专 用 翼 型气 动性 能 的影 响规 律 ， 研究 了最 佳襟 翼位 置 ． 并
收 稿 日期 ： ０ １— ９—２ ２１ ０ ５
ｙ ＝ 。卢 ‘ 一 。 （ ／ ） １ 。 卢 （ ） 。 ｋ ￣ －．
应 用 于远壁 区域计 算 的常数 为 ：
ｏ＾ ｒ２： １ ０，ｏ ． ｒ ２＝０ ８ ６， ． ５
Ｆ ＝ｔ ｈ ａｇ） ２ ａ （ｒ ， ｎ
ａ一ｘ ； ） ｒ ａ ， ｇ ２ ２
式 中：． ０ ３ ； ０ ＝ ．１ 涡量绝对值 ｎ＝ｌＵ Ｏ １ 【 ／ｙ ． Ｏ
Ｆ Ａ —Ｗ３—２ １加 装 缩 进 式 Ｇ ｒｅ Ｆ １ ｕｎｙ襟 翼 后 进 行 了
和 比耗散 率 ｔ Ｏ的输运 方程 为 ：
ｏ 去 ） Ｏ一∞ （） （ ＝ Ｕ卢 ｐ＋ ｉ 十
［ （ 蓑］ （ １ ） 击ｐ ＋ （ ） （） ＝ 一∞ Ｏ ｔ去 ２ ＋ 去［ （ 】 ＋
第 ３ ２卷 第 ６期
２ １年 １ ０１ ２月
华
北
水
利
水 电
学 院
学
报
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ６ １３ ．
Ｄｅ ｅ．２０１ １
Ｊ ｕ ｎａ ｆＮｏｔ ｉ ａ Ｉ ｓｉｕｔ ｆＷ ａ ｅ ｎｓ ｒ ａ ｙ ａ ｄ Ｈｙ ｒ ｅｅ ｔｉ ｗｅ ｏ ｒ ｌｏ ｒｈ Ｃｈ ｎ ｎ ｔｔ ｅ ｏ ｔ ｒＣｏ ｅ ｖ ｎｃ ｎ ｄ ｏ ｌｃｒｃ Ｐｏ ｒ
总 的升力 Leabharlann 数减 小 ． 来流 攻 角 Ａ Ａ＝１ 。 干净 翼 型以及 不 同襟 翼 位 Ｏ ２，
置下 翼 型 压力 分 布 等 值 线 如 图 １ １所 示． 由图 １ １可 知 ， 干净 翼 型 的压力 分布 相 比 ， 与 随着 襟翼 位置 远离
流动 控制 技术 是 目前空 气动 力学研 究 的重 要方 向 ， Ｇ ｒｅ 以 ｕｎｙ襟 翼 为代表 的流 动控 制 技 术在 大 型 飞 机 的流动 控 制 中得 到 了快 速 发 展 和 广 泛 应 用 。 ．
关 于 Ｇ ｒｅ ｕｎ ｙ襟 翼 在 风 力 机 中 的 应 用 ， 外 从 ２ 国 ０世
Ｆ Ａ—Ｗ３— ４ 翼 型 ， 对 厚 度 ２ ． ％ ， 对 弯 度 Ｆ ２１ 相 ４１ 相
２ ２ ， 长 ｃ ． 雷诺 数 Ｒ ＝１ ５×１。 来 流 ．％ 弦 ＝２ ２ｍ， ｅ ． ０， 速度 ＝１ ／ ． 用 Ｆ Ｕ Ｎ ６ ３ ２ ０ｍ ｓ使 Ｌ Ｅ Ｔ ． ． ６求解 器 ， 控制 方程 选 为 质 量 加 权 平 均 的 Ｎ—Ｓ方 程 和 低 雷 诺 数 Ｓ Ｔｋ一 湍流模 型 ２． Ｓ １ １
１ 物 理 模 型 及 数 值 方法
文献［ ，］ ２ ５ 的实 验 结果 表 明 ， 加装 Ｇ ｒｅ ｕｎ ｙ襟 翼 后 只对厚 翼 型或大 后缘 角 的翼 型 可在全 部攻 角范 围 内提 高 其 升 阻 比． 里 采 用 大 厚 度 、 雷 诺 数 的 这 低
纪 末开 始研 究 ， 并取 得 了一定 的成 果 ． 献 ［ 文 ６—１ ］ ０ 对 在 传 统 翼 型 Ｎ Ｃ ０ １ ， Ａ Ａ ０ ０以 及 风 力 机 Ａ Ａ ０５ Ｎ Ｃ ０ ２ 专 用 翼 型 Ｎ Ｅ ８ ９上 加 装 不 同 高 度 的 正 常 式 Ｒ Ｌ￥ ０
韭 毒‘ ｌ＿ 毫
１ ３ 边 界 条 件 ．
图 １ 计 算 网格 及 其 分 布
装 Ｇ ｒｅ ｕｎｙ襟翼 与 不加 装 Ｇ ｒｅ 襟 翼 的翼 型 处 于 同 ｕｎ ｙ
一
计 算 域上 、 和下边 界 均采 用 速度 入 口边界 条 左 件 ， 算域 右边界 采用压 力 出 口边界 条件 ， 计 翼型 以及 缩进式 襟翼 作为无 滑移 壁面边 界条 件处理 ．
２ １ 襟翼 高度 对翼型 升 、 ． 阻特性 的影响
相 同襟 翼 高度 、 同襟 翼 位 置对 应 的升 力 系数 不 随来 流攻 角 的变 化 曲线 如 图 ２所示 ． 图 ２可 以看 从 出 ， 进 式 Ｇ ｒｅ 缩 ｕｎ ｙ襟 翼 同样 会 带 来 升 力 系 数 的增 加， 但升 力线斜 率 几乎 没 有 变 化 ； 速 攻 角 以后 ， 失 大 多数 襟翼 仍然 具有 较 高 的升 力 系数 ． 种 升 力 的增 这 加 主要 是 由于 Ｇ ｒｅ ｕｎ ｙ襟翼增 大 了翼 型 的有效 弯度 ，
文 章 编 号 ： ０ ２— ６ ４ ２ １ ） ６— ０ ７— ６ １０ ５ ３ （０ １ ０ ０ １ ０
缩 进 式 Ｇｕ ｎ ｙ襟 翼 对 风 力 机 流 动 控 制 的数 值 研 究 ｒｅ
赵 万 里 ，张 利 达
（ 北水利水 电学院， 南 郑州 ４０ １） 华 河 ５ ０ １
摘
要 ： 大 厚 度 、 雷诺 数 风 力 机 专 用 翼 型 上 加 装 缩 进 式 Ｇ ｒｅ 在 低 ｕｎｙ襟 翼 进 行 数 值 模 拟研 究 ， 得 了 Ｇ ｒｅ 获 ｕｎｙ襟
使上 下翼 面压差 增 大 ， 而 提 高升 力 ． 难 看 出 ， 从 不 加
图 ２ 不 同 襟 翼位 置 下 Ｃ 随 Ａ Ａ 的 变 化 曲线 ， Ｏ
襟翼 高度 为 ２ （ ％Ｃ ｃ为 弦 长 ） 应 情 况 下 （ ２ 对 图 中 ｇ一 ） ２ 的翼 型升 力系数 明显 大于襟 翼高 度为 １ Ｃ ％
由图 ９可 知 ， 随着来 流攻 角 的增加 ， 点从 前缘 驻 向翼 型下 表面 移动 ， 型上表 面 负压 区 明显 增加 ， 翼 上 表 面前 缘 吸力增 加 ， 型下表 面压 力也 逐渐 增加 ， 翼 进
翼 型尾缘 ， 型上翼 面负压 区先增 加而后 减小 ， 翼 因而 翼 型的总 升力 先 增 加 后 降 低 ， 当襟 翼 位 置 Ｐ＝２ ％Ｃ 时 ， 型上 翼 面负压 区范围最 大． 翼
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２１ ０ １年 ｌ ２月
数值 的混 合 ，
咖＝Ｆ 咖 ＋（ Ｆ ） ： １一 咖
（） ５
应 用 于边界层 计算 的常 数 ． ： 为
１＝０． ５，ｏ ８ ｒ ｌ＝０ ５， ．
卢ｌ ． ７ 』 ＝０ ０ ＝０ ０ ５，Ｂ ． ９，ｋ＝０ ４ ， ． １
对应 情况 下 （ ２中 ｇ一１ 的翼 型升力 系数 ． 襟 翼 图 ） 在
高度 为 ２ ％ｃ时 ， 翼 位 置远 离 翼 型 尾 缘 ， 应 的 升 襟 对
第３ ２卷 第 ６期
赵万 里 ， ： 缩进 式 Ｇ ｒｅ 翼 对 风 力 机 流 动 控 制 的数 值 研 究 等 ｕｎｙ襟
２ １
而使 得翼 型升力 系 数随着 攻 角 的增 加 而增加 ．
２ ３ ２ 相 同来流 角度 ， 同襟 翼位 置 的压力分 布 ．． 不
Ａ Ａ＝１ 。襟 翼 角 度 ｈ＝１ Ｃ 不 同襟 翼 位 置 下 Ｏ ４ ， ％ ，
翼 型压 力 系 数 ｃ 的分 布 如 图 １ ０所 示 ． 由图 １ ０可 知， 随着 襟翼 位置 远离 翼 型尾缘 ， 型上 翼面 吸力 逐 翼 渐 降低 ， 下翼 面 的压 力也逐 渐 减小 ， 因此 会使 翼 型的
翼 在 相 同 的 襟翼 高 度 下 ， 同 的襟 翼 位 置 对 风 力 机 专 用 翼 型 气 动 特 性 的影 响规 律 ， 出 最 佳 襟 翼 位 置 ； 后 探 不 给 最
讨 了缩 进 式 Ｇ ｒｅ 襟 翼 控 制 流 动 的 机 理 ． 得 结 果 可 为 实 际 工 程 风 力 机 的控 制 提 供 理 论 指 导 和 技 术 支 撑 ． ｕｎｙ 所 关键词 ： 力机 ； 风 缩进 式 Ｇ ｒｅ 襟 翼 ； 动 控 制 ； 动 性 能 ｕｎ ｙ 流 气
设 参数 （ 包括 ，ｒ， 卢 ｙ 的值 是两 组 参 ｏ 卢， ， ）
基金项 目： 国家 自然 科 学 基 金 重 点 项 目（ １３ ０ ４ ； 北 水 利 水 电学 院高 层 次 人 才 科 研 启 动 基 金 （０ １７ ５ ０ ９０ ）华 ２ １２ ） 作 者 简 介 ： 万 里 （９ ０ ） 男 ， 南 信 阳人 ， 师 ， 士 ， 要 从 事 漩 涡分 离 与 复 杂 流 动 控 制 方 面 的研 究 ． 赵 １８ 一 ， 河 讲 博 主
为３ ０倍 弦长 ， １层 网格 尺寸 １ ０—． 算 网格划 第 ×１ ５计
（ｋ； ） ］㈩ 分 、 体 网格 以及 局部 网格分 布如 图 １所 示． ０－ ； ． ４ 整
涡
黏
＝ 数
：
繇
２ ２ ２ ４ ２ Ｏ
眦 为
一
（）网格划分 ａ
（）襟 翼局部 网格分 布 ｂ
１ １ 低 雷 诺 数 Ｓ Ｔ ｋ一 湍 流 模 型 ． Ｓ
Ｇ ｒｅ ｕｎ ｙ襟翼 进行 了试 验研 究 ， 实 了 Ｇ ｒｅ 襟 翼 在 证 ｕｎ ｙ
减 少风 力 机 叶 片 分 离 、 高 效 率 方 面 具 有 明 显 的 提
效果．
国 内近 几 年 才 开 始 研 究 Ｇ ｒｅ ｕｎｙ襟 翼 在 风 力 机 中的应 用 ． 献 ［ １ 对 大 型 风 力 机 专 用 翼 型 Ｆ Ａ 文 １］ Ｆ ． Ｗ３２ 加 装 正常式 Ｇ ｒｅ 襟 翼后 进 行 了数值 模 拟 —１ １ ｕｎ ｙ 研 究 ， 证 了正 常式 Ｇ ｒｅ 验 ｕｎｙ襟翼 能 够 有效 提 高风 力
１ ４ 求 解 方 法 ．
攻角 时 ， 者 的有 效攻 角大 于后者 ， 而升力 较后 前 因
者 有 所提 高 ． 一结 果 与文 献 ［ ］ 合较 好 ． 图 ２ 这 ３吻 从
还 可 以看 出 ， 装 缩 进式 Ｇ ｒｅ 加 ｕｎ ｙ襟翼 后 ， 变 了翼 改 型尾缘 附近 绕流 ， 以增 大失 速攻角 ． 可
Ｓ Ｔｋ一 Ｓ ∞模 型用一 个混 合 函数将 ｋ一 和 ｋ 一 模 型融合 ． 近 壁 区域 使用 ｋ一 模 型 ， 在 使计 算 更加 稳定 精 确 ； 远 场 区域 转 变 为 ｋ一 模 型 ． 在 湍动 能 ｋ
机 气动 性能 ， 得 了襟 翼 高 度 对 风 力 机气 动 性 能 的 获 影 响规 律 ， 并得 出最 佳 襟 翼 高 度 为 （ ％ ～ ％ ） ． １ ２ ｃ 文
１ ２ 计算 网格 ．
卢２＝０ ０ ２ ８， ＝０ ０ ．８ 卢 ． ９，ｋ＝０ ４ ， ． １
２ ８／ 一盯 ｋ／√ ． ＝ ２Ｂ ｎｚ ８
混合 函数 Ｆ 定 义为 ：
Ｆ ＝ｔ ｈ ａｇ） ａ （ｒ ， ｎ
ｎ ｍ ａｘ
使 用 结 构 网格 剖分 计算 区域 ， 净翼 型 网 格数 干 量 １． ８ ７万 ， Ｇ ｒｅ 翼 的 网格 数 量 ３ ． 带 ｕｎｙ襟 ９ １万． 计 算 域 的 网格 前为 ３ ０倍 弦长 ， 为 ４ 后 ０倍 弦长 ， 下各 上