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风力机翼型风洞实验中粗糙带形式的选择研究

风力机翼型风洞实验中粗糙带形式的选择研究

引言
  随着科学技术的发展和能源需求的日益增大,环境保护问题也迫在眉睫,风能作为一种洁净的可再生环保能源以其独特的优越性越来越受到社会的重视[1-3] 。风力机发电是利用风能的主要形式,叶片是风力发电机吸收风能的重要部件,而翼型又是叶片设计的最基本要素。大型风力发电机风轮叶片使用的翼型,其雷诺数通常在1×106~6×106之间。风洞实验[4-5]和数值模拟[6-8]是评估翼型气动性能的两种手段,然而由于模型尺寸与实验风速的限制,低速翼型风洞实验雷诺数通常不能覆盖所有雷诺数范围,雷诺数导致翼型表面转捩位置不同,翼型表面流动情况与实际情况不相符,层流范围、湍流范围、分离点的位置、压力分布及翼型的升力、阻力和力矩特性都与真实情况存在一定差异。为了尽量真实的模拟实际流动,采取在翼型前缘粘贴粗糙带进行固定转捩实验的方法。
  另外,由于制造过程、表面老化、昆虫尸体堆积、风吹雨打和表面结冰等原因,商业运用的风力机叶片前缘实际上有一定的粗糙度。在实验过程中对其准确的模拟比较困难,通常的方法也是在翼型前缘布置粗糙带。
  粗糙带是一种人为粘贴在模型表面上的粗糙元,以固定边界层由层流状态到湍流的转捩位置,其基本的要求是引起转捩的同时附加的影响尽量小,二维翼型实验中,要求粗糙带的宽度尽量小,粗糙元分布尽量均匀,粗糙带粘贴牢固,且容易重复,易于去掉及不损坏模型[6] 。
  粗糙带的形式多种多样,对于粗糙元的高度、密度也有着一般的计算方法与选择要求。大量实践表明,粗糙带的种类及其参数对于实验结果有着重要的影响,需要非常仔细地进行选择 [9-15] 。
  ZZR和ZZT型由于基底为锯齿形,沿展向粘贴时粗糙带的形状不易精确保证,容易导致不同期实验数据重复性较差。T和H型为NF-3风洞实验室自己研制的形式,其基底不易变形,加工和粘贴简便,相信可以减少由于粗糙带引起的不同期实验数据的差异。本文主要研究T型和H型粗糙带与ZZR和ZZT型的差异,以及探讨不同形式粗糙带对风洞实验中昆虫尸体在翼型表面堆积影响的模拟,试图对风力机翼型实验中粗糙带的选择提出参考建议。
1 实验模型与实验设备
1.1 风洞
  实验是在西北工业大学NF-3 低速直流风洞二元实验段进行的。实验段长8.0m,宽3.0m,高1.6m,湍流度低于0.045% , 风速范围10~130m/s,翼型实验最大雷诺数为7.0×106。
1.2 翼型模型
  模型为DU93-210翼型,相对厚度为21%。实验模型弦长800mm,展长1 590mm,采用钢芯木质结构。在模型翼展中央上下翼面沿弦向共布置94个测压孔,用于测量翼型表面压力分布。
1.3 粗糙带
  实验分别选用ZZR、ZZT、T和H四种型式的粗糙带,粗糙带中心线置于翼型上表面前缘5%弦长处,见图1~图4。

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2 实验方法、结果与分析
2.1 实验方法
  实验风速为18m/s、26m/s、53m/s、79m/s、88m/s,对应实验雷诺数为1.0×106 、1.5×106、3.0×106、4.5×106、5.0×106。翼型的升力和力矩由表面压力分布积分获得,阻力由尾耙测量,用动量法计算得到。尾迹排管位于距翼型后缘1.1倍弦长处,与翼型中央翼展位于同一平面,均布187根文德利型总压管和9根静压管,测量宽度范围为1 865mm。所有压力数据均由PSI9816电子扫描阀测量得到。
2.2 实验结果与分析
  限于篇幅,这里仅列举典型实验结果进行分析说明。
2.2.1 转捩的模拟
  图5为在Re=3.0×106下固定转捩与自然转捩升力系数对比曲线,ZZR和ZZT型的升力线比较接近,T型和H型在9°以后与前者有较大差别,H型的最大升力系数最低。
  9°迎角下自然转捩与固定转捩压力分布对比曲线见图6,H型粗糙带下分离点最靠近翼型前缘,T型粗糙带次之,因而 H型粗糙带下翼型升力系数最小。

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        阻力曲线如图7所示。四种形式的阻力系数在低阻区较接近,5°迎角以后开始出现明显差别,ZZT型的阻力最小,H型的阻力最大。
  力矩曲线见图8,四者的差别不大。

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  由此可以得到初步结论,ZZT型粗糙带具有较好的转捩效果,且附加阻力最小。
2.2.2 小虫子尸体堆积影响的模拟
  NF-3风洞为直流式低速风洞,风洞的进排气都通大气,2010年春夏之交,在小虫子特别多的几天,实验室进行了小虫子尸体堆积对于翼型性能影响的实验研究。实验的翼型为实验室自行设计的某型35%厚度的风力机翼型。
  实验的典型曲线见图9~图11。图中的“正常吹风”表示按常规吹风执行,即在风速稳定以后,迎角从-10°到+15°变化,每次间隔1°。随着时间推移,小虫子的尸体在模型表面堆积越来越多。“7°起吹风”表示,将模型清理干净,从7°开始吹风到15°结束。与“正常吹风”相比,对应角度下的小虫子尸体的堆积会较少。“9°起吹”和“11°起吹”的含义是一样的。这样做就可以判断小虫子对于翼型特性的影响。可以看出,小虫子的尸体在翼型表面堆积越多,最大升力系数越小、失速越靠前,但是在小迎角下变化不大。

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  图12是固定迎角,连续吹风,每隔5分钟采集一次数据的结果,随着小虫子的尸体堆积越来越多,翼型表面分离点越来越靠前。再观察图6,可以发现,小虫子尸体的堆积效果与H转捩带的效果非常接近,即,影响最大升力系数。在低阻区对阻力影响不太明显,但是会使失速迎角提前。

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  因此,可以得到的基本结论是:在模拟虫子尸体堆积对翼型性能影响方面,H型粗糙带优于其他三种形式。
3 结论
  在本文的研究范围内,针对风力机翼型风洞实验,要模拟转捩位置,最好选用ZZR型粗糙带,欲模拟自然界污染造成的影响,则选择H型粗糙带比较适合。

 


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