涡流发生器形状对风力机翼型气动性能的影响
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考虑到涡流发生器的高度一般只有几毫米与风力机叶片的长度相差太大同时流场的结构与涡流发生器的排列方式都在展向方向上具有平移周期性11所以为研究模型的简单及便于计算将基础翼型沿垂直方向拉伸014m形成一个直翼型段在该翼型段的吸力面上等距安装4对涡流发生器距前缘20弦长选用三角形梯形矩形3种形状和3mm5mm7mm3种高度的涡流发生器涡流发生器安装尺寸如图2所示
韩章敬，叶学民
（华北电力大学 动力工程系，河北 保定 071003）
摘 要：为研究涡流发生器对风力机翼型 DU97-W-300 气动性能的影响，采用数值模拟方法 对装有三角形、矩形、梯形 3 种形状和 3 mm、5 mm、7 mm 3 种高度的涡流发生器的风力机 翼型进行了计算，得到了有效提升气动性能的涡流发生器形状和高度。研究表明：涡流发生器 能有效控制翼型产生流动分离，增大失速攻角，提高升阻比；采用梯形涡流发生器的升力系数 最大，旋涡耗散速度最慢，提高气动性能最好；高度 7 mm 的梯形涡流发生器有效抑制了流动 分离，提高翼型气动性能最佳。 关键词：风力机翼型；涡流发生器；气动性能 中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1672-0792(2020)01-0070-09
Abstract: To investigate the effect of vortex generators on the aerodynamic performance of wind turbine wing airfoil DU97-W-300, a numerical method was used to simulate the performance of the wind turbine with three shapes of vortex generators including triangle, rectangle and trapezoid and the height of 3 mm, 5 mm and 7 mm. The shape and height of the vortex generator which can effectively improve the aerodynamic performance were obtained. Results show that the vortex generators can effectively control the flow separation of the airfoil, increase the stall angle of attack and raise the lift-drag ratio. Trapezoidal vortex generators have the largest lift coefficient, the least vortex dissipation speed and the best aerodynamic performance. Trapezoidal vortex generators with a height of 7 mm can effectively suppress the flow separation and improve the aerodynamic performance of the airfoil. Key words: wind turbine airfoil; vortex generators; aerodynamic performance
Effects of Vortex Generators Shape on Aerodynamic Performance of Wind Turbine Airfoil
HAN Zhangjing, YE Xuemin
(Department of Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)
韩章敬，等：涡流发生器形状对风力机翼型气动性能的影响
71
0 引言
风力发电是解决能源短缺和环境问题的有效 手段[1]，风力机的广泛应用使风力机叶片长度逐 渐增长，这就要求叶片根部需使用大厚度的翼型， 才能保证叶片结构强度符合要求。但大厚度翼型 易发生流动分离，且风力机常年处于风速不断变 化的环境中，当风速大于设计工况时，叶片根部 就可能发生大面积的流动分离，因此抑制流动分 离成为风力机气动性能研究的热点问题。
收稿日期：2019-11-21 基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金资助项目（13MS98） 作者简介：韩章敬（1996—），女，硕士研究生,主要研究方向为流体机械理论及工程应用；
叶学民（1973—），男，教授，主要研究流体力学理论及应用、大型旋转机械动力学特征及运行经济性及新能源技术利用。
第1期
涡流发生器是一种垂直安装在翼型表面上的 小翼，因其展弦比较小，故产生的翼尖涡强度较 强，通过流动混合能把高强度的流体能量传递到 涡流发生器下游边界层内的低能量流体，边界层 获得能量后可以继续贴附在翼型表面，防止边界 层由于逆压梯度而与翼型表面发生流动分离。 1947 年美国联合飞机公司的 Bmynes 和 Taylor[2] 发现并提出飞机机翼上加装涡流发生器可以推迟 飞机机翼边界层分离。倪亚琴[3]分析和验证了涡 流发生器的一些重要参数，发现涡流发生器可以 减小边界层厚度，同时对流场的均匀度没有影响。 Lin[4]通过研究涡流发生器的实际应用，发现 VGs 适合流动分离点固定的流动，且涡流发生器的位 置应与流动分离点距离相近。Yao[5]通过 PIV 方法 对单个涡流发生器进行研究，发现涡流发生器的 安装角和高度对其性能产生影响。刘刚[6]对装有 涡流发生器的超临界机翼进行数值模拟计算，发 现合适的高度、安装角、长度的涡流发生器有增 升减阻的作用。张磊[7]研究了有、无涡流发生器 两种模型在攻角 14°时的翼型段的流动特性，发现 三角形涡流发生器确实能够延迟流动分离。戴丽 萍[8]对加装 3 种不同弦向安装位置的三角形涡流发 生器翼型段的气动特性进行数值模拟，发现 3 种 位置的涡流发生器均能有效推迟失速攻角，提高升 力系数，其中 20%弦长处的效果最好。张惠[9]对不 同高度和不同安装角的三角形涡流发生器进行研 究，发现均能增大升力系数，延迟失速攻角，且 失速前阻力系数随涡流发生器高度的增大而增 大，失速后不同高度的涡流发生器均能降低阻力 系数。胡昊[10]用数值模拟方法对装有涡流发生器 的风力机专用翼型进行数值模拟，发现小攻角时，
第 36 卷 第 1 期 2020 年 1 月
电力科学与工程 Electric Power Science and Engineering
d0
Vol. 36, No. 1 Jan., 2020
涡流发生器形状对风力机翼型气动 性能的影响
韩章敬，叶学民
（华北电力大学 动力工程系，河北 保定 071003）
摘 要：为研究涡流发生器对风力机翼型 DU97-W-300 气动性能的影响，采用数值模拟方法 对装有三角形、矩形、梯形 3 种形状和 3 mm、5 mm、7 mm 3 种高度的涡流发生器的风力机 翼型进行了计算，得到了有效提升气动性能的涡流发生器形状和高度。研究表明：涡流发生器 能有效控制翼型产生流动分离，增大失速攻角，提高升阻比；采用梯形涡流发生器的升力系数 最大，旋涡耗散速度最慢，提高气动性能最好；高度 7 mm 的梯形涡流发生器有效抑制了流动 分离，提高翼型气动性能最佳。 关键词：风力机翼型；涡流发生器；气动性能 中图分类号：TK83 文献标识码：A 文章编号：1672-0792(2020)01-0070-09
Abstract: To investigate the effect of vortex generators on the aerodynamic performance of wind turbine wing airfoil DU97-W-300, a numerical method was used to simulate the performance of the wind turbine with three shapes of vortex generators including triangle, rectangle and trapezoid and the height of 3 mm, 5 mm and 7 mm. The shape and height of the vortex generator which can effectively improve the aerodynamic performance were obtained. Results show that the vortex generators can effectively control the flow separation of the airfoil, increase the stall angle of attack and raise the lift-drag ratio. Trapezoidal vortex generators have the largest lift coefficient, the least vortex dissipation speed and the best aerodynamic performance. Trapezoidal vortex generators with a height of 7 mm can effectively suppress the flow separation and improve the aerodynamic performance of the airfoil. Key words: wind turbine airfoil; vortex generators; aerodynamic performance
Effects of Vortex Generators Shape on Aerodynamic Performance of Wind Turbine Airfoil
HAN Zhangjing, YE Xuemin
(Department of Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)
韩章敬，等：涡流发生器形状对风力机翼型气动性能的影响
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风力发电是解决能源短缺和环境问题的有效 手段[1]，风力机的广泛应用使风力机叶片长度逐 渐增长，这就要求叶片根部需使用大厚度的翼型， 才能保证叶片结构强度符合要求。但大厚度翼型 易发生流动分离，且风力机常年处于风速不断变 化的环境中，当风速大于设计工况时，叶片根部 就可能发生大面积的流动分离，因此抑制流动分 离成为风力机气动性能研究的热点问题。
收稿日期：2019-11-21 基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金资助项目（13MS98） 作者简介：韩章敬（1996—），女，硕士研究生,主要研究方向为流体机械理论及工程应用；
叶学民（1973—），男，教授，主要研究流体力学理论及应用、大型旋转机械动力学特征及运行经济性及新能源技术利用。
第1期
涡流发生器是一种垂直安装在翼型表面上的 小翼，因其展弦比较小，故产生的翼尖涡强度较 强，通过流动混合能把高强度的流体能量传递到 涡流发生器下游边界层内的低能量流体，边界层 获得能量后可以继续贴附在翼型表面，防止边界 层由于逆压梯度而与翼型表面发生流动分离。 1947 年美国联合飞机公司的 Bmynes 和 Taylor[2] 发现并提出飞机机翼上加装涡流发生器可以推迟 飞机机翼边界层分离。倪亚琴[3]分析和验证了涡 流发生器的一些重要参数，发现涡流发生器可以 减小边界层厚度，同时对流场的均匀度没有影响。 Lin[4]通过研究涡流发生器的实际应用，发现 VGs 适合流动分离点固定的流动，且涡流发生器的位 置应与流动分离点距离相近。Yao[5]通过 PIV 方法 对单个涡流发生器进行研究，发现涡流发生器的 安装角和高度对其性能产生影响。刘刚[6]对装有 涡流发生器的超临界机翼进行数值模拟计算，发 现合适的高度、安装角、长度的涡流发生器有增 升减阻的作用。张磊[7]研究了有、无涡流发生器 两种模型在攻角 14°时的翼型段的流动特性，发现 三角形涡流发生器确实能够延迟流动分离。戴丽 萍[8]对加装 3 种不同弦向安装位置的三角形涡流发 生器翼型段的气动特性进行数值模拟，发现 3 种 位置的涡流发生器均能有效推迟失速攻角，提高升 力系数，其中 20%弦长处的效果最好。张惠[9]对不 同高度和不同安装角的三角形涡流发生器进行研 究，发现均能增大升力系数，延迟失速攻角，且 失速前阻力系数随涡流发生器高度的增大而增 大，失速后不同高度的涡流发生器均能降低阻力 系数。胡昊[10]用数值模拟方法对装有涡流发生器 的风力机专用翼型进行数值模拟，发现小攻角时，
第 36 卷 第 1 期 2020 年 1 月
电力科学与工程 Electric Power Science and Engineering
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Vol. 36, No. 1 Jan., 2020
涡流发生器形状对风力机翼型气动 性能的影响