高風(fēng)速下腐蝕翼型的氣動(dòng)特性研究

王龍 李相偉 胡南云 李亮 周毅鈞

摘 要：外場(chǎng)工作風(fēng)力機(jī)葉片會(huì)受到環(huán)境腐蝕，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能下降，發(fā)電效率降低。為研究腐蝕翼型的氣動(dòng)性能變化，建立9種腐蝕模型，計(jì)算4種風(fēng)速（30m/s、35m/s、40m/s、45m/s）下腐蝕翼型的氣動(dòng)性能，分析翼型形狀與腐蝕位置的變化對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明來(lái)流風(fēng)速與翼型的升阻力成線(xiàn)性關(guān)系;S803翼型的氣動(dòng)性能優(yōu)于S802和DU93翼型，DU93翼型發(fā)生腐蝕缺陷，氣動(dòng)性能表現(xiàn)最差;高速流體流過(guò)翼型缺陷位置，在缺陷位置發(fā)生流動(dòng)分離形成渦旋流場(chǎng)，導(dǎo)致翼型氣動(dòng)性能降低。研究結(jié)果有利于惡劣環(huán)境下的風(fēng)力機(jī)葉片選型及葉片的后期維護(hù)。

關(guān)鍵詞：腐蝕翼型;氣動(dòng)性能;高風(fēng)速;流動(dòng)分離

中圖分類(lèi)號(hào)： TM315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2021）02-0016-07

收稿日期：2020-09-30

基金項(xiàng)目：安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（1708085QE123）

作者簡(jiǎn)介：王龍（1984-），男，安徽蚌埠人，副教授，博士，研究方向：風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)及風(fēng)力機(jī)振動(dòng)特性。

Research on Aerodynamic Characteristics of Corroded Airfoil under High Wind Speed

WANG Long1，LI XiangWei1， HU NangYun2， LI Liang3， ZHOU YiJun1

（1.School of Mechanical Engineering， Anhui University of Science and Technology， HuainanAnhui 232001，China;2.SafetyEvaluation DepartmentNanchang Anda Security Technology Consulting Co. Ltd.， NanchangJiangxi 330000， China;3.School of Mechanics and Optoelectronics Physics， Anhui University of Science and Technology， HuainanAnhui 232001，China）

Abstract：In the working field， the blades of wind turbines could be corroded by the environment， which would cause the aerodynamic performance of the wind turbine to decrease. Then the efficiency of power generation would decrease. In order to study the changes in the aerodynamic performance of the corroded airfoil， nine corrosion models were established to calculate the aerodynamic performance of the corroded airfoil under four wind speeds （30m/s， 35m/s， 40m/s， 45m/s）. The influence were analyzed of the change of the shape and position of the corroded airfoil to its aerodynamic performance. Numerical simulation results show that the incoming wind speed has a linear relationship with the lift drag of the airfoil， that among the three types of airfoils， the aerodynamic performance of the Type S803 is better than the Types of S802 and DU93 and the aerodynamic performance of the Type DU93 will be the worst when it has a corroded defect and that when the high-speed fluid flows through the defect location of the airfoil， it will form a vortex flow field resulting in a decrease of the aerodynamic performance. The research results are conducive to the selection of wind turbine blades and the later maintenance in harsh environments.

Key words：corroded airfoil; aerodynamic performance; high wind speed; flow separation

風(fēng)沙、雨水長(zhǎng)時(shí)間沖刷風(fēng)力機(jī)葉片后，會(huì)導(dǎo)致葉片表面出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，改變?nèi)~片表面粗糙度，該現(xiàn)象對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片發(fā)電效率極為不利。一旦該缺陷得不到修復(fù)，有可能會(huì)導(dǎo)致葉片出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電穩(wěn)定性和使用壽命。

文獻(xiàn)[1]采用數(shù)值模擬方法，對(duì)FFA-W3-301 和FFA-W3-211翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)行分析，模擬結(jié)果的升力系數(shù)與阻力系數(shù)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[2]的結(jié)果有較好的一致性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)翼型表面粗糙度對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)化率有很大影響。文獻(xiàn)[3-4]等根據(jù)實(shí)際工作中風(fēng)力機(jī)葉片磨損狀況，建立三種缺陷翼型幾何模型，基于CFD方法，研究風(fēng)力機(jī)葉片磨損對(duì)其氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)葉片磨損加劇翼型尾緣附近的流動(dòng)分離，同時(shí)磨損程度越大，葉片的升力系數(shù)越小，阻力系數(shù)越大。文獻(xiàn)[5]等人研究海上風(fēng)力機(jī)葉片水滴撞擊問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)水滴撞擊會(huì)導(dǎo)致葉片前緣出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，破壞葉片表面完整度，進(jìn)而降低風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能，影響發(fā)電效率。文獻(xiàn)[6]等通過(guò)CFD瞬態(tài)模擬方法，研究NACA 64-618翼型腐蝕狀態(tài)下的氣動(dòng)性能，發(fā)現(xiàn)葉片的升力系數(shù)降低一半，阻力系數(shù)增大三倍，嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電效率。文獻(xiàn)[7]等數(shù)值模擬仿真DU91_W2_250型風(fēng)力機(jī)葉片的動(dòng)態(tài)失速特性，發(fā)現(xiàn)折合頻率與振動(dòng)幅度的增大會(huì)加劇葉片的動(dòng)態(tài)失速，導(dǎo)致氣動(dòng)性能變差。文獻(xiàn)[8]等在NACA0018翼型表面裝置固定氣動(dòng)彈片，并分析氣動(dòng)彈片對(duì)翼型的氣動(dòng)性能影響，研究發(fā)現(xiàn)增加氣動(dòng)彈片可提高葉片的氣動(dòng)新能。文獻(xiàn)[9]以NACA4412翼型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)多種傾斜角度葉尖，研究葉尖小翼結(jié)構(gòu)變化對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大斜角葉尖小翼會(huì)改善葉尖繞流，提高風(fēng)力機(jī)輸出功率。文獻(xiàn)[10]在高風(fēng)速條件下研究環(huán)境參數(shù)對(duì)翼型的動(dòng)態(tài)失速的影響，發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)速的增大，葉片升力系數(shù)逐漸增大，最大升力攻角與之成正比。文獻(xiàn)[11]使用N-S方程研究在不同位置開(kāi)射流口對(duì)S809翼型氣動(dòng)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)射流位置于3/4弦長(zhǎng)處，攻角18°時(shí)升阻比可提高一半，極大改善翼型的氣動(dòng)性能。文獻(xiàn)[12]等采用CFD方法，研究開(kāi)縫分布位置對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)大攻角下射流會(huì)抑制流動(dòng)分離現(xiàn)象，開(kāi)縫位置于1/2弦長(zhǎng)處對(duì)，升力系數(shù)顯著提高。文獻(xiàn)[13]等分析研究同一系列不同翼型厚度對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NACA0012翼型厚度對(duì)風(fēng)力機(jī)的各氣動(dòng)參數(shù)有較大的影響，在同一系列翼型中存在一最佳翼型厚度。文獻(xiàn)[14]研究大氣穩(wěn)定性和表面粗糙度對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)來(lái)流不穩(wěn)定時(shí)，氣體流過(guò)葉片高低不平粗糙度表面時(shí)，會(huì)在葉片尾緣產(chǎn)生渦旋尾跡，降低葉片升力系數(shù)。文獻(xiàn)[15]通過(guò)3D CFD模擬分析NREL VI型空氣動(dòng)力學(xué)特性，將S809替換S826型機(jī)翼后，發(fā)現(xiàn)葉片流動(dòng)分離現(xiàn)象延遲，其中S826翼型升力系數(shù)增加了23.7%。

總體來(lái)看，風(fēng)力機(jī)葉片的翼型形狀以及葉片的表面粗糙程度會(huì)對(duì)實(shí)際工況時(shí)的風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率產(chǎn)生很大影響。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多研究單一翼型發(fā)生腐蝕狀況時(shí)的葉片氣動(dòng)性能，較少關(guān)注同一型號(hào)翼型發(fā)生腐蝕和腐蝕位置變化之間的變化狀況。

本文采用SSTκ-ω湍流模型，以S802、S803和DU93翼型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)3種不同腐蝕位置，建立9種腐蝕翼型模型，在4種高風(fēng)速下，基于CFD方法數(shù)值分析翼型形狀的變化以及腐蝕位置的變化對(duì)葉片氣動(dòng)性能的影響。所做工作有利于不同環(huán)境下的葉片選型及葉片的后期維護(hù)，提高惡劣環(huán)境下的風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率。

1 腐蝕翼型的等效模型

本文對(duì)不同型號(hào)翼型以及不同腐蝕位置進(jìn)行仿真分析，研究形狀與腐蝕位置變化對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響。

模擬腐蝕缺陷模型的時(shí)候，是在翼型吸力面的不同位置增加凹槽，凹槽長(zhǎng)為0.5mm，寬為1mm，研究不同位置的凹槽對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響，三種缺陷位置分布如圖1所示。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 網(wǎng)格劃分

本文利用Mesh軟件生成9套網(wǎng)格模型，圖2為整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。使用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)翼型附近流場(chǎng)域進(jìn)行加密處理保證計(jì)算精度的準(zhǔn)確性。

2.2 腐蝕翼型網(wǎng)格

30%弦長(zhǎng)腐蝕點(diǎn)記作X=0.3，45%弦長(zhǎng)腐蝕點(diǎn)記作X=0.45，60%弦長(zhǎng)腐蝕點(diǎn)記作X=0.6。翼型前緣首先受到高速流體沖擊，壓強(qiáng)較大，為保證仿真模擬的精準(zhǔn)度，對(duì)腐蝕缺陷位置和翼型前緣、尾緣進(jìn)行加密處理，各工況下的翼型網(wǎng)格如圖3所示。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同翼型形狀的影響

其它設(shè)置條件未變，僅改變來(lái)流風(fēng)速（30m/s，35m/s，40m/s，45m/s），分析S802、S803和DU93翼型對(duì)應(yīng)的腐蝕翼型在風(fēng)速變化工況下的氣動(dòng)性能，其各自對(duì)應(yīng)的升力變化曲線(xiàn)與阻力變化曲線(xiàn)如圖4和圖5所示。各工況下升阻力數(shù)值如表1～表3所示。

隨著風(fēng)速的增大，三種翼型的升力與阻力都逐步變大，且升阻力大小與風(fēng)速大小成線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系。升力變化：當(dāng)腐蝕缺陷位置為X=0.3時(shí)，S802與DU93翼型升力數(shù)值較小，S803翼型的升力最大，氣動(dòng)性能相對(duì)最優(yōu);X=0.45與X=0.46時(shí)， S803翼型的升力數(shù)值最大，S802升力小于S803，DU93翼型氣動(dòng)性能相對(duì)較差;S803翼型隨著腐蝕缺陷的變化，升力變化較為平緩，彼此數(shù)值相差不大。氣體沿著翼型前緣開(kāi)始流動(dòng)，流動(dòng)到腐蝕缺陷點(diǎn)位置，會(huì)提前產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，降低翼型的氣動(dòng)性能，其中S803翼型抗腐蝕性能較好，腐蝕位置的變化對(duì)其升力變化的影響很小。阻力變化：S802翼型腐蝕缺陷位置為X=0.6時(shí)，阻力最小;DU93在X=0.45時(shí)，對(duì)應(yīng)的阻力最小;S803翼型隨著腐蝕位置的變化，阻力也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

3.2 不同腐蝕位置的影響

翼型不同位置發(fā)生腐蝕缺陷，會(huì)改變翼型表面流線(xiàn)結(jié)構(gòu)，流體流過(guò)翼型表面時(shí)，就會(huì)造成氣動(dòng)性能的改變。為研究S802、S803和DU93翼型抗腐蝕性能，現(xiàn)比較分析三種腐蝕缺陷位置時(shí)，翼型在各工況下的氣動(dòng)性能，其對(duì)應(yīng)的升力變化曲線(xiàn)與阻力變化曲線(xiàn)如圖6和圖7所示。

當(dāng)腐蝕缺陷位置為X=0.3時(shí)，S803翼型相較于S802 與DU93，相同工況下升力數(shù)值最大，氣動(dòng)性能最好，其中S802氣動(dòng)升力略小于S803，DU93相對(duì)氣動(dòng)升力最差。當(dāng)腐蝕缺陷位置為X=0.45與X=0.6時(shí)，S803翼型氣動(dòng)升力最大，氣動(dòng)性能最優(yōu)，相較于X=0.3的工況S802與S803氣動(dòng)升力數(shù)值相差很小。這表明，當(dāng)翼型表面發(fā)生意外腐蝕，造成翼型結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)，隨著風(fēng)速的增大，三種翼型的氣動(dòng)升力業(yè)隨之增大，其中S803翼型抗腐蝕干擾最強(qiáng)，氣動(dòng)升力性能最好。高風(fēng)速流體沿著翼型前緣快速向后緣流動(dòng)，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)X=0.3時(shí)，流體處于快速上升過(guò)程，DU93翼型結(jié)構(gòu)受到腐蝕缺陷影響較大，氣動(dòng)升力最小，氣動(dòng)性能相對(duì)最差;當(dāng)流體經(jīng)過(guò)X=0.45與X=0.6處時(shí)，S803與S802氣動(dòng)性能相差較小，氣動(dòng)性能均優(yōu)于DU93翼型。

當(dāng)高速空氣流體流經(jīng)三種腐蝕缺陷位置時(shí)，會(huì)于缺陷處產(chǎn)生渦旋增加氣動(dòng)阻力，降低了翼型原有的氣動(dòng)性能。DU93翼型產(chǎn)生的阻力最大，其氣動(dòng)性能低于S802與S803翼型。X=0.3時(shí)，S802翼型產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力最小;X=0.45與X=0.6時(shí)，S803翼型產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力最小，S802氣動(dòng)阻力略大于S803。

3.3 流場(chǎng)分析

由上可知，S803翼型的氣動(dòng)升阻力性能優(yōu)于S802與DU93模型，為了進(jìn)一步分析S802與DU93翼型結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕缺陷時(shí)氣動(dòng)性能變差原因，選取腐蝕缺陷位置為X=0.3與X=0.45，來(lái)流速度為30m/s與45m/s，其對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)與壓強(qiáng)分布如圖8與圖9所示。

高速流體首先撞擊到翼型前緣，對(duì)翼型前緣造成較大的正壓強(qiáng)，然后沿著翼型的上表面和下表面向后流動(dòng)。因下表面結(jié)構(gòu)完整沒(méi)有缺陷，流體沿著光滑的下表面向后流動(dòng)時(shí)，流線(xiàn)較為平緩，對(duì)壁面產(chǎn)生的壓強(qiáng)較小且呈均勻分布。流體從翼型上表面向后流動(dòng)，經(jīng)過(guò)腐蝕缺陷處時(shí)，在缺陷位置產(chǎn)生較強(qiáng)的渦旋，致使翼型腐蝕位置產(chǎn)生較大的負(fù)壓強(qiáng)，導(dǎo)致翼型腐蝕位置出現(xiàn)局部負(fù)壓場(chǎng)，嚴(yán)重影響翼型的升阻力，極大降低了翼型的氣動(dòng)性能。

DU93翼型，X=0.3、v=30m/s時(shí)壓強(qiáng)變化范圍為-629～529Pa;X=0.3、v=45m/s時(shí)壓強(qiáng)變化范圍為-1 435～1 193Pa;X=0.45、v=30m/s時(shí)壓強(qiáng)變化范圍為-670～580Pa。S802翼型，X=0.3、v=30m/s時(shí)壓強(qiáng)變化范圍為-471～516Pa;X=0.3、v=45m/s時(shí)最大壓強(qiáng)變化范圍為-1 092～1 163Pa; X=0.45、 v=30m/s時(shí)壓強(qiáng)變化范圍為-452～515Pa。 來(lái)流速度越大， 流體對(duì)翼型造成的正負(fù)壓強(qiáng)越大， 相應(yīng)的升阻力也越大。 當(dāng)腐蝕位置從X=0.3后移到X=0.45，DU93翼型的正負(fù)壓強(qiáng)變大，升阻力數(shù)值波動(dòng)變大，而S802翼型，流場(chǎng)流線(xiàn)較為平穩(wěn)，壓強(qiáng)變化不大，升阻力數(shù)值波動(dòng)平緩。結(jié)果表明當(dāng)翼型發(fā)生腐蝕缺陷時(shí)，S802翼型的氣動(dòng)性能整體優(yōu)于DU93翼型。

4 結(jié)論

本文在定常工況下對(duì)高風(fēng)速下腐蝕翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究，分析對(duì)比三種翼型在不同風(fēng)速、不同腐蝕位置下的氣動(dòng)性能變化。發(fā)現(xiàn)翼型形狀的變化與腐蝕位置的改變都會(huì)造成翼型氣動(dòng)性能的變化。

（1）翼型的升阻力大小與來(lái)流風(fēng)速成線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系，流速越大，翼型產(chǎn)生的升力越大。

（2）隨著腐蝕缺陷位置的改變，S803翼型升阻力變化很小，氣動(dòng)性能力變化較為平緩。S803翼型整體氣動(dòng)性能最優(yōu)，而當(dāng)腐蝕位置為X=0.45與X=0.6時(shí)，S803升力比S802高1.2%左右，二者氣動(dòng)性能差距很小。

（3）翼型發(fā)生腐蝕缺陷，高速流體流過(guò)翼型缺陷位置時(shí)，發(fā)生流場(chǎng)分離，在翼型缺陷位置形成渦旋流場(chǎng)，產(chǎn)生極強(qiáng)的的負(fù)壓流場(chǎng)域，最終導(dǎo)致翼型氣動(dòng)性能降低。

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（責(zé)任編輯：李 麗）