為推遲翼型的邊界層分離,改善葉片的氣動性能,提出一種在H型垂直軸風力機對稱翼型NACA0012葉片表面上加裝渦流發(fā)生器的設計方案。利用FLUENT軟件對翼型進行三維流體力學仿真,采用正交試驗設計法,研究渦流發(fā)生器的高度、安裝角度和安裝位置這3個設計參數(shù)對翼型氣動性能的影響。研究結果表明:最佳的渦流發(fā)生器高度為6.5 mm、安裝角度為18°、安裝位置為0.1c（c為葉片弦長）,過大或者過小的渦流發(fā)生器高度和安裝角會降低翼型的升力系數(shù)和升阻比;安裝位置靠近翼型前緣可增大翼型的臨界攻角,但會給翼型帶來較大阻力;加裝渦流發(fā)生器后,對稱翼型葉片失速區(qū)范圍減小40.3%。 

【文章來源】：中南大學學報(自然科學版). 2020,51(02)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

加裝VG三維翼型示意圖

本文加裝VG的垂直軸風力機葉片的數(shù)值模擬采用三維計算模型，計算域劃分如圖2所示。圖2中，左邊半圓設置為速度入口邊界，右邊設置為壓力出口邊界，計算域前后面設置為周期性邊界，上下兩側設置為對稱邊界，葉片設置為無滑移壁面邊界條件。整個計算域長度為30倍弦長，寬度為20倍弦長。由于VG的幾何形狀比較特殊，直接生成的網(wǎng)格質量比較差，因此，采用分塊結構化網(wǎng)格的方法生成VG及其附近區(qū)域的網(wǎng)格，塊之間交界面處的邊界條件設置為INTERFACE邊界條件。同時，為了保證網(wǎng)格的質量及拓撲結構的良好性，將VG的前段處理成具有一定高度的梯形平面。為了提高計算效率，避免重新生成模型以及因網(wǎng)格不同而引起數(shù)值模擬誤差，將VG處理為無厚度的平面，在數(shù)值計算時只需修改VG的邊界條件(壁面和內部面)，即可得到加裝VG的翼型以及光滑翼型的氣動力[18]。采用ANSYS ICEM生成結構化網(wǎng)格，在VG處進行加密處理，翼型表面第1層網(wǎng)格高度為2×10-5m，網(wǎng)格增長率設置為1.1。整個模型計算域中包含300萬個節(jié)點和310萬個網(wǎng)格。圖3所示為翼型和VG附近網(wǎng)格示意圖。

為確定仿真模型網(wǎng)格數(shù)，減少計算步驟和提高網(wǎng)格精確度，在雷諾數(shù)Re=5×105、攻角α為14°和16°條件下，采用光滑翼型，即將VG的邊界條件設置為內部面，針對網(wǎng)格數(shù)對翼型升、阻力系數(shù)的影響進行研究和對比，分析結果如表2所示。由表2可知：當網(wǎng)格數(shù)為3.1×106個，攻角α=14°時的葉片升力系數(shù)CL和攻角α=16°時的葉片阻力系數(shù)CD基本不再變化，且當網(wǎng)格數(shù)約為3.1×106個時，攻角α=14°時的葉片阻力系數(shù)和攻角α=16°時的葉片升力系數(shù)也非常接近，這表明計算結果不會再隨著網(wǎng)格的加密而發(fā)生改變。因此，本文將網(wǎng)格數(shù)控制在3.1×106個左右。為驗證CFD仿真的準確性，將本文采用的光滑翼型仿真結果與CRITZOS等[19]的實驗結果進行對比。研究顯示，SST k-w模型相比其他湍流模型能更好地反映流場的特征[20]，得到的結果比較理想，因此，以下仿真均采用SST k-w模型。圖4所示為光滑葉片升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD仿真值與實驗值的對比圖。由圖4可以看出：仿真得到的CL和CD與CRITZOS等[19]的實驗結果的變化趨勢一致，二者都在攻角α=12°時發(fā)生失速。此外，與實驗值相比，仿真得到的升力系數(shù)和阻力系數(shù)的誤差值也較小。

【參考文獻】：
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本文編號：3559740