风力机翼型大迎角分离和动态失速的数值研究

翼型在小迎角下为全附着流动，随着迎角的增 大且大于临界迎角后，首先在翼型尾缘上表面出现 分离流动，速度降低，翼型表面环量降低，升力减 小，阻力增加；随着迎角增大，分离点向翼型前缘移 动，分离区逐渐加大，升力逐渐减小，见图4。 迎角达 到15°时， 分离涡在后缘诱导出反向的尾缘分离涡， 此时翼型上表面存在两个旋转方向相反的尾缘分 离 漩 涡 ， 见 图 5， 并 且 翼 型 表 面 环 量 继 续 降 低 ， 升 力 继续降低。 当迎角20°时，不断增大的前缘分离涡已
础。 风力机通常工作在野外，受地形地貌、大气环境 或风场内其他风力机尾流的影响，风力机叶片前的来 流大小和方向随时间不断地发生变化。 叶片的气流 迎角可在0°～360°发生变化。 风力机的气动性能和载 荷随迎角的改变将发生变化， 特别是气流迎角大于 失速迎角后，绕流发生分离，翼型的升力系数突然降 低，阻力系数迅速增大，叶片的性能和载荷将发生突 变。 需要准确获取风力机在各迎角下的气动性能，特 别是大迎角下的气动数据，为风力机控制策略的实施 提供基础数据；同时，大迎角下叶片的气动载荷是必 须提供给叶片结构和强度设计工程师的关键数据， 关系到风力机的安全运行。 目前动态失速对水平轴 风力机性能的影响也越来越受到研究人员的重视。 动态失速属于非定常空气动力学问题，是指在进口 来流迎角快速变化的过程中，翼型所表现出的与风洞 实验完全不同的气动特性，产生的气动力远远超过了 稳态时的值。 其产生机理比静态失速要复杂得多，动 态失速时翼型表面流动分离点的位置与稳态时完全 不同。 根据粘性作用的大小,动态失速又可分为轻失 速和深失速, 轻失速除表现出一般静态失速特征外, 又 有 非 定 常 分 离 的 强 粘 性/无 粘 相 互 作 用 的 性 质 ,此 时边界层厚度为翼型厚度的量级； 深失速则表现为 全粘性现象，存在高度非线性的压力脉动和在翼型表 面上有大涡运动，此时边界层厚度可达翼弦长度的量 级。轻失速和深失速都会对风力机桨叶上的力和力矩 产生相当大的影响。 因此，对叶片在大迎角下的静态 气动性能和动态失速特性开展深入研究， 在现代高
文 献 标 志 码 ：A
风力机翼型大迎角分离和动态失速的数值研究
黄知龙1，2，刘沛清2，赵万里2
（1.中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所，四川 绵阳 621000； 2.北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室，北京 100191）
Simulation of Separated Flows at High Angles of Attack for Wind Turbine Airfoil and Its Dynamic Stall
计算区域边界包括：翼型固壁和远场边界。 计 算域的外边界距离翼型表面30倍弦长。 固壁采用无 滑 移 条 件 ，为 了 便 于360°角 度 的 计 算 ， 外 边 界 采 用 远 场压力边界。 网格采用四边形的结构网格，第一层 网格Δy的值取弦长的10－5倍。 翼型的计算域和0°迎 角下的局部网格划分见图1(a)。
程和SST k-ω双方程湍流模型，数值预测了LS0413翼型在0°～
360°迎角范围内大尺度分离与失速流场特性。 并对该翼型的 动态失速特性进行了数值模拟，典型的正弦振荡计算结果表
明 ：1） SST k-ω湍流模型能够较好地模拟翼型升力和 阻 力 系
数的迟滞环变化趋势；2） 绕翼型的流场结构在轻失速和深失 速下存在明显的差别。 关键词：翼型；大迎角；分离流动；动态失速；轻失速；深失速
2 计算结果及讨论
2.1 翼型大迎角结果 2.1.1 气动力系数
迎 角 在-10°～＋15°变 化 范 围 内 时 ， 绕 翼 型 的 流 动 未出现大范围的气流分离，采用定常求解；当迎角 大于＋20°或小于-20°时， 翼型绕流出现大范围的分 离流动，显示出较强的非定常特性，升力和阻力系 数呈现周期性的波动，采用非定常计算，升力和阻 力系数统计一个变化周期内的平均值作为该迎角 下的升力和阻力系数，见图2。 翼型在迎角360°范围 内气动力的变化规律见图3。 通过计算搜索发现，该 翼型的失速迎角约为11.5°。 翼型迎角超出失速迎角
运 动 到 最 大 迎 角 约 30.5° 后 进 入 下 俯 运 动 ， 升 力 系 数 随 迎 角 的 减 小 迅 速 上 升 ， 约 27° 达 到 最 大 ， 后 又 迅 速 减小，20°附近降到最低。 随迎角进一步减小，此时升 力系数又迅速增大后逐渐减小。 阻力系数基本保持 了随迎角增大而增大的趋势，只是上仰和下俯时对 应的数值上存在差别。
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性能风力机的设计和运转中有着十分重要的意义。 本文针对翼型NASA-Langley LS(1)-0413，采用
数值模拟方法，首先，对其在0°～ 360°迎角下的绕流 流场进行了数值模拟，分析了各种典型流动状态下 的流动特征。 然后，模拟了该翼型在正弦振荡下轻 失速和深失速的流动， 对其流动现象进行了阐述， 得到了一些有意义的结果。
图2 翼型气动力随时间变化曲线（α＝30°）
图1 计算区域和网格局部
图3 翼型气动力随迎角变化曲线
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后，升力系数迅速下降，阻力系数迅速增大，迎角为 20°时 ，升 力 系 数 达 到 局 部 最 低 。 后 随 着 迎 角 的 增 大 ， 升力系数反而增大， 到40°迎角时达到均值最大，后 随迎角进一步增大而减小。 2.1.2 流场结构分析
图8 迎角40°下t 时刻的流线图
图9 迎角40°下t 时刻的涡量云图
图10 迎角70°下t1，t2时刻的瞬时流线局部放大
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分离涡外还有沿固壁分布的数个次分离涡，组成了 主次分离涡群。 随着时间的增加，前后缘的主分离 涡尺度不断增大；而次分离涡系随时间的增加其尺 度和位置也随之变化，各涡相互干扰，伴随着质量 和能量的交换， 不断从翼型上表面周期性的脱落， 引起气动力的周期性变化。 2.2 动态失速
翼型的正弦振荡通过动网格实现，数据传递滑 移 面见图1(b)所示 ，滑 移 面 内 网 格 相 对 于 外 网 格 以 振 荡 曲 线 ：α=α0+Δαsin (ωt)运 动 ，其 中 ，α0为 初 始 迎 角，Δα为振荡幅值，ω为频率，旋转轴为x=0.5。 计算 域和边界条件的设置同于大迎角分离流动。
非定常大尺度分离流动 的流场预测 见70°迎角 下的流线图10。 图10(a)和图10(b)分别显示了t=t1和 t=t2两 个 不 同 时 刻 的 流 场 ， 仔 细 观 察 可 以 发 现 除 了 主
图4 迎角13°下的流线
图5 迎角15°下的流线
图6 迎角20°下t 时刻的流线
图7 迎角20°下t 时刻涡量云图
第 26 卷 第 5 期 2010 年 5 月
文章编号：1674- 3814（ 2010） 05- 0047- 05
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中 图 分 类 号 ：TM315
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Vol.26 No.5 May 2010
ABSTRACT：The numerical simulation of separated flows at high angles ofattack for airfoil and its dynamic stall is presented through an incompressible flowsolver accompanied with the k-ωSSTturbulence model .In this paper, the author presents the characteristics of large scale separated flowand aerodynamic forces with the angles fromzero degree to360 degree. The results ofairfoil dynamic stall suggest that (1)the k-ω SST model is an effective model to simulate the dynamic stall, and (2) the flowfields structure under the circumstance of light stall is significantlydifferent fromthat ofdeep stall. KEY WORDS: airfoil； high angle of attack； separated flows； dynamic stall； light stall；deep stall 摘要： 通过求解非定常、不可压缩雷诺平均的Navier-stokes方
对于翼型的动态失速模拟，求解非定常湍流流 动,主控方程为非定常的雷诺平均N-S方程。 为使方 程 组 封 闭 引 入 的 湍 流 模 型 仍 然 为 剪 切 应 力 输 运 SST k-ω模型，与标准k-ω模型相比，SST k-ω模型中增加
了横向耗散导数项，同时在湍流粘性定义中考虑了 湍流剪切应力的输运过程，模型中使用的常数也有 所不同，速度－压力修正采用simple方法。
HUANG Zhi-long1，2， LIU Pei-qing2， ZHAO Wan-li2
（1. Equipment Design and Testing Research Institute of China Aerodynamic Technology Research and Development Center, Mianyang 621000, Sichuan Province, China; 2.School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China）