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水动力学性能受潮流能水轮机翼型几何参数的影响研究

2020-07-03 368 上传者：管理员

摘要：为研究潮流能水轮机翼型几何参数对其水动力学性能的影响规律,从Profili软件内置的翼型数据库中选择NACA4412翼型作为初始翼型,并利用Profili的翼型几何修形功能分别修改初始翼型的最大相对厚度、最大相对弯度、最大相对厚度所在的弦向位置和最大相对弯度所在的弦向位置等几何参数,得到几组新翼型。在Fluent软件中对初始翼型和新翼型进行二维翼型绕流数值计算并比较数值计算结果,研究几何参数对潮流能水轮机翼型升力系数、阻力系数、最大升阻比、高升阻比范围以及失速特性等水动力学性能的影响规律,为潮流能水轮机翼型的选取和潮流能水轮机专用翼型的设计奠定基础。

关键词：
专用翼型
几何参数
水动力学
水能机械
水轮机翼型
直接数值模拟
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引言

开发适合潮流能水轮机性能要求的专用翼型对提高潮流能水轮机的获能效率有重要意义[1]。而翼型的水动力学性能又与其最大相对厚度、最大相对弯度、最大相对厚度所在的弦向位置、最大相对弯度所在的弦向位置等几何参数密切相关。因此研究几何参数对翼型水动力学性能的影响,对于潮流能水轮机叶片翼型的设计和选取具有重要意义。

目前对翼型的研究主要集中在飞行器和风力机领域。在风力机领域,美国、荷兰、瑞典等风电技术发达的国家都开发了自己的风力机专用翼型族,这些翼型大多具有高升力系数、低阻力系数、高升阻比和良好的前缘粗糙度敏感性等特点[2~4]。近年来,国内一些院校和科研单位针对风力机翼型技术进行了相关研究,并且在几何参数对风力机翼型空气动力学性能影响方面也进行了相关研究。华中科技大学的王军等[5]对同相对厚度的NACA0021、NACA63421和S809翼型进行空气动力学分析,研究弯度和最大相对厚度所在的弦向位置对风力机翼型空气动力学性能的影响;东南大学的王菲等[6]以NACA4412和NACA4418翼型为例,研究翼型厚度对风力机叶片翼型气动特性的影响。

为提高潮流能水轮机的获能效率,国内外学者针对潮流能水轮机翼型开展了相关研究。Goundar等[7]采用数值模拟和试验的方法对HF-Sx、Fx63137、以及NACA63815翼型进行了升阻特性对比;英国南安普顿大学的Bahaj等[8]对水平轴海流能发电机叶轮及叶轮翼型进行了大量试验及测试工作。马舜等[9]通过CFD数值模拟方法对NACA6系列层流翼型进行水动力学特性研究,并采用该翼型设计水平轴潮流能水轮机叶片,同时进行试验测试。王俭超[10]对NACA2412和NACA63812翼型进行水动力学研究,用这2种翼型分别设计水平轴潮流能水轮机叶片,并进行模型试验。上述研究促进了潮流能水轮机翼型技术的发展,但大多是基于已有的航空翼型和风力机翼型进行的研究,由于潮流能水轮机的工作介质、工作条件与飞行器和风力机不同,应尽早形成系统的潮流能水轮机专用翼型族系列。而本文研究潮流能水轮机翼型几何参数对其水动力学性能的影响可为后期进行潮流能水轮机专用翼型族的研究和设计提供借鉴。

为研究潮流能水轮机翼型几何参数对其水动力学性能的影响,从Profili翼型数据库中选择一种初始翼型,保持其他几何参数不变,分别改变初始翼型的最大相对厚度、最大相对弯度、最大相对厚度所在的弦向位置、最大相对弯度所在的弦向位置等几何参数,用CFD软件Fluent来分析翼型不同几何参数对翼型水动力学性能的影响规律。NACA4412翼型具有高的最大升力系数、低阻力、低扭矩等特性,在潮流能水轮机中得到广泛应用[11]。因此本文以NACA4412翼型为初始翼型展开研究,进而推广到具有普遍意义的潮流能水轮机翼型领域。

1、研究方法

在Profili软件的翼型数据库中选择一种翼型作为基础翼型,采用该软件的几何修形功能来分别改变基础翼型的最大相对厚度、最大相对弯度、最大相对厚度所在的弦向位置以及最大相对弯度所在的弦向位置等几何参数,得到几组新翼型,然后导出各翼型的几何坐标数据[12]。

如图1所示,将Profili软件导出的翼型几何坐标数据导入Gambit软件中,将各坐标点连接成线完成翼型的几何建模。绘制出左域为圆、右域为长方形的计算区域,对计算区域进行网格划分,导出网格。将Gambit软件划分的网格导入Fluent中,计算不同攻角下翼型的升、阻力系数。比较计算结果,得出几何参数对潮流能水轮机翼型水动力学性能的影响规律。

图1研究流程图

2、数值计算模型的建立

2.1几何模型的建立

从Profili软件中导出翼型的几何坐标,将坐标导入到Gambit软件中进行几何建模,弦长为1m的NACA4412翼型的几何外形见图2。

图2NACA4412翼型几何外形

2.2计算网格的划分

采用Gambit软件进行网格划分。网格划分前,首先要绘制计算域,左域选择半径为10倍弦长的半圆,右域选择长度为20倍弦长的长方形,该长度远远大于翼型弦长,可忽略叶片周围流场对翼型绕流流场的影响。采用C型结构化网格,对翼型周围做局部加密处理,翼型网格结构见图3。

图3NACA4412翼型整体网格图和网格局部放大图F

2.3控制方程

该翼型的绕流问题为不可压缩流动,控制方程采用二维连续性方程和二维不可压缩Navier-Stokes方程[13]。通过查阅文献[14]可知Standardk-ε湍流模型对二维翼型绕流数值计算具有较高的准确性,尤其是对于大攻角分离流动的计算精度高,因此湍流模型选用Standardk-ε两方程湍流模型。

二维不可压缩Navier-Stokes方程[15]:

公式1

公式2

式中,ρ——流体密度,kg/m3;t——时间,s;u、v——x、y方向的速度分量,m/s;μ——流体的动力粘度N·s/m2;p——流体微元上的压力,Pa。

连续性方程:

公式3

公式4

公式5

式中,k——湍动能,J;ε——湍动耗散率;ui——时均速度,m/s;μt——湍动粘度;Prk、Prε——与湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数;Gk——由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项。在Standardk-ε湍流模型中常取Prk=1.0;Prε=1.3;C1ε=1.44;C2ε=1.92。

采用控制容积有限差分法和SIMPLE算法对翼型流场的连续性方程和Navier-Stokes方程进行数值求解。当相邻2个迭代步之间的流体速度、湍动能k和耗散率ε均小于10-6时,认为迭代计算收敛。

3、计算结果及分析

在CFD软件Fluent中进行二维翼型绕流数值计算,假定来流速度为1.5m/s,通过改变x、y方向上的速度来改变来流攻角,从而研究在不同攻角下几何参数对潮流能水轮机翼型水动力学性能的影响规律。

3.1最大相对厚度对潮流能水轮机翼型水动力学性能的影响

NACA4412翼型的最大相对厚度为翼型弦长的12%,为了严格保证其他几何参数不变,研究过程中并未采用Profili翼型数据库中的翼型,而是通过Profili的翼型几何修形功能将NACA4412翼型的最大相对厚度分别改为9%、15%,并将修改后的翼型分别用NEW-T9、NEW-T15。在Fluent中对NACA4412、NEW-T9和NEW-T15这3种翼型进行二维翼型绕流数值计算,计算结果见图4。

从图4a可看出,在-5°~18°攻角范围内,潮流能水轮机翼型的最大相对厚度越大,升力系数越小;在18°~25°攻角范围内,翼型的最大相对厚度越大,升力系数越大。相对厚度大的翼型对应的失速攻角也较大,并且具有更缓和的失速特性。

由图4b可看出,在-5°~10°,潮流能水轮机翼型最大相对厚度的越大,阻力系数越大;而在10°~25°,随着翼型最大相对厚度的增大,阻力系数减小。

图4最大相对厚度对潮流能水轮机翼型水动力学性能的影响

从图4c可看出,在-5°~14°攻角范围内,潮流能水轮机翼型最大相对厚度越小,升阻比越高;当攻角大于14°时,翼型最大相对厚度越大,升阻比越高;最大相对厚度小的翼型拥有更大的最大升阻比,而最大相对厚度大的翼型则拥有更宽的高升阻比范围。

综上所述,在小攻角下,小厚度翼型拥有更高的升力系数和更低的阻力系数,升阻比也越大;而当攻角较大时,大厚度翼型拥有更高的升力系数和更低的阻力系数,升阻比也越大。小厚度翼型拥有更高的最大升阻比,而大厚度翼型则拥有更好的失速特性和更宽的高升阻比范围。

3.2最大相对弯度对潮流能水轮机翼型水动力学性能的影响

NACA4412翼型的最大相对弯度为弦长的4%,在严格保证其他几何参数不变的情况下,利用Profili软件将NACA4412翼型的最大相对弯度分别改为2%和6%,并分别用NEW-C2和NEW-C6表示修改后的翼型。经过Fluent软件的二维翼型绕流数值计算,得到NACA4412、NEW-C2和NEW-C63种翼型在-5°~25°攻角下的升力系数、阻力系数和升阻比曲线,见图5。

由图5a可看出,在-5°~25°攻角范围内,随着最大相对弯度的增大,潮流能水轮机翼型的升力系数明显增大。3种翼型对应的失速攻角均是17°,且均具有良好的失速特性。

图5最大相对弯度对潮流能水轮机翼型水动力学性能的影响

从图5b可看出,当攻角处于-5°~-1°范围内时,翼型的最大相对弯度越大,阻力系数越小,但差别很小;当攻角大于-1°时,翼型的最大相对弯度越大,阻力系数越大。

从图5c可看出,在-5°~25°攻角范围内,最大相对弯度越大,潮流能水轮机翼型对应的升阻比越高;最大相对弯度大的翼型拥有更高的最大升阻比,但最大相对弯度小的翼型拥有更宽的高升阻比范围。

综上所述,随着最大相对弯度的增大,潮流能水轮机翼型的升力系数和阻力系数均增大,但升力系数增加的程度要比阻力系数增加的程度要大,因此最大相对弯度大的翼型也拥有更高的升阻比。最大相对弯度大的潮流能水轮机翼型拥有更高的最大升阻比,而最大相对弯度小的翼型则拥有更宽的高升阻比范围。

3.3最大相对厚度所在的弦向位置对潮流能水轮机翼型水动力学性能的影响

NACA4412翼型最大相对厚度所在的弦向位置位于距翼型前缘30%弦长位置处,保证其他几何参数严格不变的情况下,利用Profili软件将其最大厚度所在的弦向位置分别改为距翼型前缘25%、35%弦长位置处,并分别将修改后的翼型用NEW-TL25、NEW-TL35表示。通过Fluent软件的二维翼型绕流数值计算得到的数值结果见图6。

从图6a可看出,在-5°~5°攻角范围内,最大相对厚度越靠近翼型后缘,升力系数越高;在5°~25°攻角范围内,最大相对厚度越靠近翼型后缘,升力系数越小。3种翼型均在17°攻角时发生失速。

图6相对厚度位置对潮流能水轮机翼型水动力学性能的影响

由图6b可看出,在-5°~25°攻角范围内,最大相对厚度越靠近翼型后缘,阻力系数越低。

通过图6c可看出,在-5°~10°攻角范围内,最大相对厚度所在的弦向位置靠近后缘的翼型拥有更高的升阻比;当攻角大于10°时,3种翼型的升阻比几乎相等。最大相对厚度所在弦向位置靠近后缘的翼型拥有更高的最大升阻比和更宽的高升阻比范围。

综上所述,在小攻角下,最大相对厚度所在弦向位置靠近后缘的翼型拥有较高的升力系数和较低阻力系数,其升阻比也较高;在大攻角下,最大相对厚度越靠近翼型后缘,升力系数和阻力系数均减小,并且减小的幅度相近,因此升阻比也相近。最大相对厚度所在弦向位置靠近后缘的翼型拥有更大的最大升阻比和更宽的高升阻比范围。

3.4最大相对弯度所在的弦向位置对潮流能水轮机翼型水动力学性能的影响

NACA4412翼型最大弯度位于距翼型前缘40%弦长位置处,保持翼型其他几何参数不变,将NACA4412翼型的最大相对弯度所在的弦向位置分别改为距翼型前缘30%和50%弦长位置处,分别用NEW-CL30和NEW-CL50表示这2种翼型。3种翼型的水动力学分析结果见图7。

从图7a可看出,在-5°~25°攻角范围内,最大相对弯度所在的弦向位置越靠近后缘的翼型拥有更大的升力系数;但随着攻角的增大,3种翼型升力系数之间的差别减小。3种翼型均在攻角达到17°时发生失速。

图7相对弯度位置对潮流能水轮机翼型水动力学性能的影响

从图7b可看出,在-5°~2°攻角范围内,最大相对弯度所在弦向位置越靠近翼型后缘,阻力系数越小;当攻角大于2°时,最大相对弯度所在的弦向位置越靠近翼型后缘,阻力系数越大。

由图7c可看出,在-5°~7°攻角范围内,最大相对弯度所在的弦向位置越靠近后缘的翼型拥有更高的升阻比;当攻角大于7°时,升阻比随着翼型最大相对弯度向翼型后缘的移动而减小,但这种差距并不明显。最大相对弯度所在的弦向位置靠近后缘的翼型拥有更高的最大升阻比和更宽的高升阻比范围。

综上所述,在小攻角范围内,最大相对弯度所在弦向位置靠近后缘的翼型拥有更高的升力系数和更低的阻力系数,因此升阻比也较高;而当攻角较大时,随着最大相对弯度所在弦向位置向翼型后缘的移动,升力系数和阻力系数均增大,但阻力系数增大的幅度要比升力系数增大的幅度稍大,因此升阻比也略微减小。最大相对弯度靠近后缘的翼型拥有更高的更大升阻比和更宽的高升阻比范围。

4、结论

1)在满足结构特性要求的前提下,小攻角范围内,应使用最大相对厚度较小的潮流能水轮机翼型;而在大攻角运行条件下或攻角变化范围较大时,应适当增大潮流能水轮机翼型的最大相对厚度。

2)在满足结构特性要求的前提下,为提高潮流能水轮机翼型的水动力学性能,应适当增大其最大相对弯度。

3)在满足潮流能水轮机翼型几何兼容性的前提下,为提高潮流能水轮机翼型的水动力学性能,应尽量使其最大相对厚度所在的弦向位置以及最大相对弯度所在的弦向位置靠近翼型的后缘。

本文所做的研究可为后期进行潮流能水轮机专用翼型族优化设计过程中的翼型参数化拟合、翼型几何外形控制点的选取以及约束条件的设定等提供参考。后续将根据本文的结论进行潮流能水轮机专用翼型族的设计,并利用这些翼型族制作叶片,进行模型水槽试验,进一步验证本文的结论。

参考文献：

[1]余龙,张仕骏,兀丰凯,等.海流发电机翼型研发进展及优化设计研究[J].船舶工程,2014,36(4):1-5.

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[6]王菲,吕剑虹,王刚.翼型厚度对风力机叶片翼型气动特性的影响[J].流体机械,2011,39(12):5-9.

[9]马舜,李伟,刘宏伟,等.水平轴潮流能发电系统能量捕获机构研究[J].机械工程学报,2010,46(18):150-156.

[10]王俭超.水平轴潮流能水轮机叶片设计和模型试验研究[D].青岛:中国海洋大学,2011.

[11]黎作武,陈江,陈宝,等.风力机组叶片的先进翼型族设计[J].空气动力学学报,2012,30(1):131-136.