涡流发生器对垂直轴风力机翼型气动性能的影响
发布时间：2021-12-31 05:56
为推迟翼型的边界层分离,改善叶片的气动性能,提出一种在H型垂直轴风力机对称翼型NACA0012叶片表面上加装涡流发生器的设计方案。利用FLUENT软件对翼型进行三维流体力学仿真,采用正交试验设计法,研究涡流发生器的高度、安装角度和安装位置这3个设计参数对翼型气动性能的影响。研究结果表明:最佳的涡流发生器高度为6.5 mm、安装角度为18°、安装位置为0.1c（c为叶片弦长）,过大或者过小的涡流发生器高度和安装角会降低翼型的升力系数和升阻比;安装位置靠近翼型前缘可增大翼型的临界攻角,但会给翼型带来较大阻力;加装涡流发生器后,对称翼型叶片失速区范围减小40.3%。
【文章来源】：中南大学学报(自然科学版). 2020,51(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
加装VG三维翼型示意图
本文加装VG的垂直轴风力机叶片的数值模拟采用三维计算模型，计算域划分如图2所示。图2中，左边半圆设置为速度入口边界，右边设置为压力出口边界，计算域前后面设置为周期性边界，上下两侧设置为对称边界，叶片设置为无滑移壁面边界条件。整个计算域长度为30倍弦长，宽度为20倍弦长。由于VG的几何形状比较特殊，直接生成的网格质量比较差，因此，采用分块结构化网格的方法生成VG及其附近区域的网格，块之间交界面处的边界条件设置为INTERFACE边界条件。同时，为了保证网格的质量及拓扑结构的良好性，将VG的前段处理成具有一定高度的梯形平面。为了提高计算效率，避免重新生成模型以及因网格不同而引起数值模拟误差，将VG处理为无厚度的平面，在数值计算时只需修改VG的边界条件(壁面和内部面)，即可得到加装VG的翼型以及光滑翼型的气动力[18]。采用ANSYS ICEM生成结构化网格，在VG处进行加密处理，翼型表面第1层网格高度为2×10-5m，网格增长率设置为1.1。整个模型计算域中包含300万个节点和310万个网格。图3所示为翼型和VG附近网格示意图。
为确定仿真模型网格数，减少计算步骤和提高网格精确度，在雷诺数Re=5×105、攻角α为14°和16°条件下，采用光滑翼型，即将VG的边界条件设置为内部面，针对网格数对翼型升、阻力系数的影响进行研究和对比，分析结果如表2所示。由表2可知：当网格数为3.1×106个，攻角α=14°时的叶片升力系数CL和攻角α=16°时的叶片阻力系数CD基本不再变化，且当网格数约为3.1×106个时，攻角α=14°时的叶片阻力系数和攻角α=16°时的叶片升力系数也非常接近，这表明计算结果不会再随着网格的加密而发生改变。因此，本文将网格数控制在3.1×106个左右。为验证CFD仿真的准确性，将本文采用的光滑翼型仿真结果与CRITZOS等[19]的实验结果进行对比。研究显示，SST k-w模型相比其他湍流模型能更好地反映流场的特征[20]，得到的结果比较理想，因此，以下仿真均采用SST k-w模型。图4所示为光滑叶片升力系数CL和阻力系数CD仿真值与实验值的对比图。由图4可以看出：仿真得到的CL和CD与CRITZOS等[19]的实验结果的变化趋势一致，二者都在攻角α=12°时发生失速。此外，与实验值相比，仿真得到的升力系数和阻力系数的误差值也较小。
【参考文献】：
期刊论文
[1]垂直轴风力机非对称翼型叶片变攻角方法[J]. 张立军,刘华,赵昕辉,张明明,李乐乐. 可再生能源. 2016(02)
[2]垂直轴风力机叶片翼型的气动性能分析[J]. 吕黎,毕长飞,崔鹏宇. 热力发电. 2014(12)
[3]基于数值模型的涡流发生器参数设计[J]. 张磊,杨科,黄宸武,刘强,徐建中. 工程热物理学报. 2012(12)
[4]基于涡流发生器控制民机后体流动分离与减阻机理的实验研究[J]. 杜希奇,蒋增,佟胜喜,何宏伟. 工程力学. 2012(08)
[5]涡流发生器布局方式对翼型失速流动控制效果影响的实验研究[J]. 郝礼书,乔志德,宋文萍. 西北工业大学学报. 2011(04)
[6]垂直轴风力机技术讲座(一) 垂直轴风力机及其发展概况[J]. 李岩. 可再生能源. 2009(01)
[7]涡流发生器数值计算方法研究[J]. 刘刚,刘伟,牟斌,肖中云. 空气动力学学报. 2007(02)
[8]垂直轴风力发电机发展概述[J]. 田海姣,王铁龙,王颖. 应用能源技术. 2006(11)
本文编号：3559740
【文章来源】：中南大学学报(自然科学版). 2020,51(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
加装VG三维翼型示意图
本文加装VG的垂直轴风力机叶片的数值模拟采用三维计算模型，计算域划分如图2所示。图2中，左边半圆设置为速度入口边界，右边设置为压力出口边界，计算域前后面设置为周期性边界，上下两侧设置为对称边界，叶片设置为无滑移壁面边界条件。整个计算域长度为30倍弦长，宽度为20倍弦长。由于VG的几何形状比较特殊，直接生成的网格质量比较差，因此，采用分块结构化网格的方法生成VG及其附近区域的网格，块之间交界面处的边界条件设置为INTERFACE边界条件。同时，为了保证网格的质量及拓扑结构的良好性，将VG的前段处理成具有一定高度的梯形平面。为了提高计算效率，避免重新生成模型以及因网格不同而引起数值模拟误差，将VG处理为无厚度的平面，在数值计算时只需修改VG的边界条件(壁面和内部面)，即可得到加装VG的翼型以及光滑翼型的气动力[18]。采用ANSYS ICEM生成结构化网格，在VG处进行加密处理，翼型表面第1层网格高度为2×10-5m，网格增长率设置为1.1。整个模型计算域中包含300万个节点和310万个网格。图3所示为翼型和VG附近网格示意图。
为确定仿真模型网格数，减少计算步骤和提高网格精确度，在雷诺数Re=5×105、攻角α为14°和16°条件下，采用光滑翼型，即将VG的边界条件设置为内部面，针对网格数对翼型升、阻力系数的影响进行研究和对比，分析结果如表2所示。由表2可知：当网格数为3.1×106个，攻角α=14°时的叶片升力系数CL和攻角α=16°时的叶片阻力系数CD基本不再变化，且当网格数约为3.1×106个时，攻角α=14°时的叶片阻力系数和攻角α=16°时的叶片升力系数也非常接近，这表明计算结果不会再随着网格的加密而发生改变。因此，本文将网格数控制在3.1×106个左右。为验证CFD仿真的准确性，将本文采用的光滑翼型仿真结果与CRITZOS等[19]的实验结果进行对比。研究显示，SST k-w模型相比其他湍流模型能更好地反映流场的特征[20]，得到的结果比较理想，因此，以下仿真均采用SST k-w模型。图4所示为光滑叶片升力系数CL和阻力系数CD仿真值与实验值的对比图。由图4可以看出：仿真得到的CL和CD与CRITZOS等[19]的实验结果的变化趋势一致，二者都在攻角α=12°时发生失速。此外，与实验值相比，仿真得到的升力系数和阻力系数的误差值也较小。
【参考文献】：
期刊论文
[1]垂直轴风力机非对称翼型叶片变攻角方法[J]. 张立军,刘华,赵昕辉,张明明,李乐乐. 可再生能源. 2016(02)
[2]垂直轴风力机叶片翼型的气动性能分析[J]. 吕黎,毕长飞,崔鹏宇. 热力发电. 2014(12)
[3]基于数值模型的涡流发生器参数设计[J]. 张磊,杨科,黄宸武,刘强,徐建中. 工程热物理学报. 2012(12)
[4]基于涡流发生器控制民机后体流动分离与减阻机理的实验研究[J]. 杜希奇,蒋增,佟胜喜,何宏伟. 工程力学. 2012(08)
[5]涡流发生器布局方式对翼型失速流动控制效果影响的实验研究[J]. 郝礼书,乔志德,宋文萍. 西北工业大学学报. 2011(04)
[6]垂直轴风力机技术讲座(一) 垂直轴风力机及其发展概况[J]. 李岩. 可再生能源. 2009(01)
[7]涡流发生器数值计算方法研究[J]. 刘刚,刘伟,牟斌,肖中云. 空气动力学学报. 2007(02)
[8]垂直轴风力发电机发展概述[J]. 田海姣,王铁龙,王颖. 应用能源技术. 2006(11)
本文编号：3559740
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