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环量控制对S809翼型的射流参数研究

2020-08-10 442 上传者：管理员

摘要：采用计算流体力学方法，研究在不同位置开射流口的环量控制方法对S809翼型气动性能的影响，研究发现，当Re=1×106，射流口高度h=0.2%c（c为翼型弦长）时，不同攻角下，射流口位于75%c处，控制效果优于70%c、80%c、90%c处，其中在18°攻角下，升阻比相比原始S809翼型最大可提高51%；在此基础上研究了射流口位于75%c时，不同射流高度对S809翼型气动性能的影响，发现射流口高度为0.1%c时，控制效果较好，且耗能最小。

关键词：
工作参数
数值模拟
气动性能
环量控制
风力机S809翼型
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理论和实践证明，环量控制[1]方法可以通过产生射流在后缘形成Coanda效应[2]来改变环量，从而产生高升力[3]。国内外一些学者针对环量控制参数的影响都进行了研究：Englar[3]、Liu等[4]经研究得出在小攻角、小动量系数下环量控制可产生较大升力的结论；张艳华等[5]通过计算流体力学数值仿真方法（CFD）研究了动量系数和攻角对NASA超临界翼型的升阻特性和附面层分离特性的影响规律；郑无计等[6]利用数值仿真技术研究了后缘半径和射流口高度对超临界翼型环量控制作用效果的影响规律。目前对于环量控制技术的研究主要集中在航空翼型方面，对控制参数的研究主要关注动量系数、攻角等。本文将环量控制技术应用于水平轴风力机的常用翼型S809，通过数值模拟的方法，研究射流位置和射流高度对环量控制方法提升该翼型气动性能的影响。

1、物理模型及数值方法

本文在S809翼型吸力面靠近尾缘位置开一定高度的射流口，射流口高度h=0.2%c(c为翼型弦长），翼型压力面修改为同样形状，在尾缘生成半圆弧，射流从吸力面射流口垂直射流边界，即沿着半圆弧切向喷出，在Coanda效应的影响下，翼型前后驻点有不断靠近的趋势，从而改变环量，提高升力。修改后的整体翼型模型及尾缘形状如图1、图2所示。

图1采用环量控制方法的翼型示意图

图2尾缘示意图

本文利用Fluent流体仿真软件数值计算二维不可压定常Navier-Stokes(N-S）方程，湍流模型选用k-ωSST模型，空间上采用二阶迎风格式，将射流口设为速度入口，翼型表面为无滑移边界条件，Re=1×106，攻角范围4°～18°，动量系数分别选取为0、0.01、0.02、0.03、0.04和0.05，分别在吸力面上距离前缘70%c、75%c、80%c和90%c位置开射流孔，其中动量系数为：

质量流量为：

式中，υj——射流口速度，m/s;Aj——射流口面积，在二维数值模拟中即为射流口高度，m;s——翼型的面积，在二维中即为弦长，m；ρ——流体密度，kg/m3；υ∞——来流速度，m/s。

计算域生成O型网格，在翼型前后缘及射流口附近进行局部加密，第1层网格高度为1×10-5，计算域示意图及射流口附近网格分别如图3、图4所示。

图3计算域示意图

图4射流口附近网格

为了验证数值方法的有效性，本文首先在Re=1×106情况下对S809翼型在0°～20°攻角范围内的绕流进行计算，并与文献[7]的模拟值和文献[8]的实验值进行对比，见图5，本文的阻力系数模拟值接近徐帅模拟值，对升力系数，当攻角小于8°时，本文的模拟结果较接近徐帅的模拟值，且两者均小于实验值；当攻角为10°、12°和18°时，本文的升力系数模拟值在文献[7]模拟值及实验值之间；当攻角为14°、16°和20°时，本文的升力系数模拟值低于实验值和文献[7]模拟值。总的来说，三者吻合较好，验证了该方法的有效性。

图5计算值与实验值对比

2、计算结果及分析

2.1 不同射流位置对控制效果的影响

首先给定射流口高度为0.2%c，图6给出了在吸力面上距前缘点70%c、75%c、80%c和90%c位置处开射流口的S809翼型在动量系数分别为0、0.01、0.02、0.03、0.04和0.05时及原始S809翼型升力系数随攻角的变化曲线。可看出，射流位置在90%c,Cμ=0.01时的升力系数低于原始翼型，除此之外，其他施加环量控制后的升力系数均高于原始翼型，且升力系数随动量系数的增大而增大；由图6b，失速攻角有随动量系数增大而减小的趋势，这是因为随着动量系数的增加，翼型前缘首先发生附面层分离，导致失速攻角提前。

图6不同射流位置不同动量系数下的升力系数随攻角的变化曲线

图7表示不同射流位置不同动量系数下的阻力系数随攻角的变化曲线。可以看出，在任何射流位置，当攻角小于12°时，施加环量控制后的翼型阻力系数均高于原始翼型，攻角大于12°时，Cμ=0,0.01的阻力系数低于原始翼型。总的来看，阻力系数随动量系数的增大而增大。

图7不同射流位置不同动量系数下的阻力系数随攻角的变化曲线

图8表示不同射流位置不同动量系数下的升阻比随攻角的变化曲线。由图8可知，在任何射流位置，从升阻比来看，最佳控制效果均在小动量系数下，具体为0.02，这与文献[5]研究的超临界翼型在中等动量系数下取得最佳升阻特性一致，但在70%c、80%c、90%c射流位置，最佳动量系数下的升阻比仍小于原始翼型，只有在75%c射流位置，Cμ=0.02时的升阻比大于原始翼型，其中在18°攻角时，升阻比比原始S809翼型最大可提高51%。

图8不同射流位置不同动量系数下的升阻比随攻角的变化曲线

图9a为当动量系数为最佳动量系数即0.02时，不同射流位置下的升力系数随攻角的变化曲线。可知在攻角小于14°时，射流位置越靠前，升力系数越大；当攻角大于14°时，75%c位置升力系数最大。

图9b为不同射流位置下的阻力系数随攻角的变化曲线。在攻角小于8°时，射流位置越靠前，阻力系数越大；攻角大于8°时，75%c位置阻力系数小于其他射流位置的阻力系数。

图9c为不同射流位置下的升阻比随攻角的变化曲线。由图也可看出，在最佳动量系数下，75%c射流位置的环量控制效果最好，除了在8°攻角下，升阻比均高于原始翼型，其中在18°攻角时，升阻比较原始S809翼型最大可提高51%,70%c、80%c射流位置的升阻比接近，均低于原始翼型，90%c位置的升阻比也低于原始翼型。

图9Cμ=0.02时不同射流位置升力系数、阻力系数、升阻比随攻角变化曲线

图10、图11分别给出了18°攻角下，原始翼型和Cμ=0.02,75%c射流位置环量控制下的翼型附近流线图和涡量云图。由图10a，在原始翼型吸力面存在一个大的分离泡，在尾缘下游存在不断脱落的小漩涡；由图10b可知，吸力面分离泡较原始流场有了明显减小，此时升力系数有较大提升，阻力系数略有上升，升阻比获得明显提高。由图11a，翼型前缘黏附着一个顺时针旋转的自由剪切层，尾缘则存在一个逆时针旋转的自由剪切层；由图11b，附着在前缘的自由剪切层更加靠近翼型吸力面，推迟了分离点，使得分离泡有所减小。

图10流线图对比

图12给出了18°攻角下，原始翼型和Cμ=0.02,75%c射流位置环量控制下的表面压力系数分布图。由图12可知，环量控制后的翼型表面压力系数分布曲线围成的面积较原始翼型变大，说明升力提升。

图11涡量云图对比

图12表面压力系数对比

图13给出了翼型控制前后尾缘附近压力云图，可看出，环量控制后的翼型尾缘孔口附近较原始翼型存在较大压力差，这是因为射流作用下，孔口后附面层内速度增大，则静压减小。压力差会带动上表面的流速增加，促进前驻点位置下移，这样就出现前后驻点不断靠近的趋势，由环量定义和儒可夫斯基升力定理，翼型的环量增大，升力随之增大。

图13尾缘附近压力云图对比

2.2 不同射流口高度对控制效果的影响

在最佳射流位置75%c及最佳动量系数0.02下，研究射流口高度为0.1%c、0.15%c、0.2%c和0.3%c时的环量控制方法对S809翼型气动性能的影响，图14给出了不同射流口高度的翼型升力系数、阻力系数、升阻比随攻角变化曲线。

由图14a可知，升力系数随射流口高度的减小而增大，这是因为动量系数一定时，射流口高度减小导致射流速度增大，导致升力系数增大；由图14b可知，阻力系数随射流口高度的减小而增大，且均大于原始翼型阻力系数；由图14c可知，射流口高度为0.1%c、0.15%c,0.2%c的升阻比较接近，且射流口高度为0.1%c时的升阻比稍大一些，当攻角小于10°时，射流口高度为0.3%c的升阻比小于原始翼型，攻角大于10°时，升阻比才高于原始翼型。

图14Cμ=0.02时不同射流口高度的升力系数、阻力系数、升阻比随攻角的变化曲线

定义能耗，图15给出了能耗随不同射流口高度的变化关系，以最小能耗为基准，对能耗无量纲化后可以看出，射流口高度为0.1%c时的耗能最小。

图15能耗随射流口高度的变化曲线

本文旨在将环量控制方法应用于水平轴风力机的专用翼型，提高其气动性能，进而增加风力机的风能利用率。然而现代大型风力机在运行过程中，翼型攻角是不断发生变化的，其叶片截面会产生较大幅度振动，使翼型的气动力显著偏离静态值[9]，因此下一步将考虑其对动态失速气动力的影响，从而提高风力机运行时载荷预测的精度，这将是非常有意义的工作。

3、结论

本文使用不可压缩雷诺时均N-S方程研究在不同位置开射流孔的环量控制方法对提升S809翼型气动性能的影响，考察射流位置、射流高度等参数对升阻力系数及升阻比的影响。得到主要结论如下：

1）最佳控制效果在小动量系数下，具体为Cμ=0.02，射流口高度为0.2%c(c为翼型弦长）时，射流位置取75%c的控制效果最好，其中在18°攻角时，升阻比比原始S809翼型最大可提高51%。

2）在75%c射流位置，Cμ=0.02时，射流口高度为0.1%c、0.15%c、0.2%c时的升阻比接近，但0.1%c时的耗能最小。

参考文献：

[5]张艳华,张登成,胡孟权,等.环量控制对翼型气动特性的作用机理[J].空军工程大学学报,2015,16(1):10-13.

[6]郑无计,张登成,张艳华,等.稳定射流环量控制的仿真研究[J].航空计算技术,2014,44(4):67-70..

[7]徐帅,黄典贵.前缘静止及振动微小圆柱对S809翼型气动性能的影响[J].热能动力工程,2017,32(8):37-42.

[9]刘雄,梁湿.风力机翼型在复合运动下的动态失速数值分析[J].工程力学,2016,33(12):253-261.

苏子昂,孙晓晶.S809翼型环量控制的射流参数研究[J].太阳能学报,2020,41(07):359-366.

基金:国家自然科学基金(11202123).

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期刊名称：力学与实践

期刊人气：2505

期刊详情

主管单位：中国科学院

主办单位：中国力学学会,中国科学院力学研究所

出版地方：北京

专业分类：科学

国际刊号：1000-0879

国内刊号：11-2064/O3

邮发代号：2-178

创刊时间：1979年

发行周期：双月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1年以上

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