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風(fēng)力機(jī)翼型風(fēng)洞實(shí)驗中粗糙帶形式的選擇研究
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| 更新時間：2013.10.23 瀏覽次數(shù)： |
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| 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和能源需求的日益增大，環(huán)境保護(hù)問題也迫在眉睫，風(fēng)能作為一種潔凈的可再生環(huán)保能源以其獨(dú)特的優(yōu)越性越來越受到社會的重視[1-3] 。風(fēng)力機(jī)發(fā)電是利用風(fēng)能的主要形式，葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收風(fēng)能的重要部件，而翼型又是葉片設(shè)計的最基本要素。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片使用的翼型，其雷諾數(shù)通常在1×106～6×106之間。風(fēng)洞實(shí)驗[4-5]和數(shù)值模擬[6-8]是評估翼型氣動性能的兩種手段，然而由于模型尺寸與實(shí)驗風(fēng)速的限制，低速翼型風(fēng)洞實(shí)驗雷諾數(shù)通常不能覆蓋所有雷諾數(shù)范圍，雷諾數(shù)導(dǎo)致翼型表面轉(zhuǎn)捩位置不同，翼型表面流動情況與實(shí)際情況不相符，層流范圍、湍流范圍、分離點(diǎn)的位置、壓力分布及翼型的升力、阻力和力矩特性都與真實(shí)情況存在一定差異。為了盡量真實(shí)的模擬實(shí)際流動，采取在翼型前緣粘貼粗糙帶進(jìn)行固定轉(zhuǎn)捩實(shí)驗的方法。
另外，由于制造過程、表面老化、昆蟲尸體堆積、風(fēng)吹雨打和表面結(jié)冰等原因，商業(yè)運(yùn)用的風(fēng)力機(jī)葉片前緣實(shí)際上有一定的粗糙度。在實(shí)驗過程中對其準(zhǔn)確的模擬比較困難，通常的方法也是在翼型前緣布置粗糙帶。
粗糙帶是一種人為粘貼在模型表面上的粗糙元，以固定邊界層由層流狀態(tài)到湍流的轉(zhuǎn)捩位置，其基本的要求是引起轉(zhuǎn)捩的同時附加的影響盡量小，二維翼型實(shí)驗中，要求粗糙帶的寬度盡量小，粗糙元分布盡量均勻，粗糙帶粘貼牢固，且容易重復(fù)，易于去掉及不損壞模型[6] 。
粗糙帶的形式多種多樣，對于粗糙元的高度、密度也有著一般的計算方法與選擇要求。大量實(shí)踐表明，粗糙帶的種類及其參數(shù)對于實(shí)驗結(jié)果有著重要的影響，需要非常仔細(xì)地進(jìn)行選擇 [9-15] 。
ZZR和ZZT型由于基底為鋸齒形，沿展向粘貼時粗糙帶的形狀不易精確保證，容易導(dǎo)致不同期實(shí)驗數(shù)據(jù)重復(fù)性較差。T和H型為NF-3風(fēng)洞實(shí)驗室自己研制的形式，其基底不易變形，加工和粘貼簡便，相信可以減少由于粗糙帶引起的不同期實(shí)驗數(shù)據(jù)的差異。本文主要研究T型和H型粗糙帶與ZZR和ZZT型的差異，以及探討不同形式粗糙帶對風(fēng)洞實(shí)驗中昆蟲尸體在翼型表面堆積影響的模擬，試圖對風(fēng)力機(jī)翼型實(shí)驗中粗糙帶的選擇提出參考建議。
1 實(shí)驗?zāi)Ｐ团c實(shí)驗設(shè)備
1.1 風(fēng)洞
實(shí)驗是在西北工業(yè)大學(xué)NF-3 低速直流風(fēng)洞二元實(shí)驗段進(jìn)行的。實(shí)驗段長8.0m，寬3.0m，高1.6m，湍流度低于0.045% , 風(fēng)速范圍10~130m/s，翼型實(shí)驗最大雷諾數(shù)為7.0×106。
1.2 翼型模型
模型為DU93-210翼型，相對厚度為21%。實(shí)驗?zāi)Ｐ拖议L800mm，展長1 590mm，采用鋼芯木質(zhì)結(jié)構(gòu)。在模型翼展中央上下翼面沿弦向共布置94個測壓孔，用于測量翼型表面壓力分布。
1.3 粗糙帶
實(shí)驗分別選用ZZR、ZZT、T和H四種型式的粗糙帶，粗糙帶中心線置于翼型上表面前緣5%弦長處，見圖1~圖4。
2 實(shí)驗方法、結(jié)果與分析
2.1 實(shí)驗方法
實(shí)驗風(fēng)速為18m/s、26m/s、53m/s、79m/s、88m/s，對應(yīng)實(shí)驗雷諾數(shù)為1.0×106 、1.5×106、3.0×106、4.5×106、5.0×106。翼型的升力和力矩由表面壓力分布積分獲得，阻力由尾耙測量，用動量法計算得到。尾跡排管位于距翼型后緣1.1倍弦長處，與翼型中央翼展位于同一平面，均布187根文德利型總壓管和9根靜壓管，測量寬度范圍為1 865mm。所有壓力數(shù)據(jù)均由PSI9816電子掃描閥測量得到。
2.2 實(shí)驗結(jié)果與分析
限于篇幅，這里僅列舉典型實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行分析說明。
2.2.1 轉(zhuǎn)捩的模擬
圖5為在Re=3.0×106下固定轉(zhuǎn)捩與自然轉(zhuǎn)捩升力系數(shù)對比曲線，ZZR和ZZT型的升力線比較接近，T型和H型在9°以后與前者有較大差別，H型的最大升力系數(shù)最低。
9°迎角下自然轉(zhuǎn)捩與固定轉(zhuǎn)捩壓力分布對比曲線見圖6，H型粗糙帶下分離點(diǎn)最靠近翼型前緣，T型粗糙帶次之，因而 H型粗糙帶下翼型升力系數(shù)最小。
阻力曲線如圖7所示。四種形式的阻力系數(shù)在低阻區(qū)較接近，5°迎角以后開始出現(xiàn)明顯差別，ZZT型的阻力最小，H型的阻力最大。
力矩曲線見圖8，四者的差別不大。
由此可以得到初步結(jié)論，ZZT型粗糙帶具有較好的轉(zhuǎn)捩效果，且附加阻力最小。
2.2.2 小蟲子尸體堆積影響的模擬
NF-3風(fēng)洞為直流式低速風(fēng)洞，風(fēng)洞的進(jìn)排氣都通大氣，2010年春夏之交，在小蟲子特別多的幾天，實(shí)驗室進(jìn)行了小蟲子尸體堆積對于翼型性能影響的實(shí)驗研究。實(shí)驗的翼型為實(shí)驗室自行設(shè)計的某型35%厚度的風(fēng)力機(jī)翼型。
實(shí)驗的典型曲線見圖9～圖11。圖中的“正常吹風(fēng)”表示按常規(guī)吹風(fēng)執(zhí)行，即在風(fēng)速穩(wěn)定以后，迎角從－10°到＋15°變化，每次間隔1°。隨著時間推移，小蟲子的尸體在模型表面堆積越來越多�！�7°起吹風(fēng)”表示，將模型清理干凈，從7°開始吹風(fēng)到15°結(jié)束。與“正常吹風(fēng)”相比，對應(yīng)角度下的小蟲子尸體的堆積會較少�！�9°起吹”和“11°起吹”的含義是一樣的。這樣做就可以判斷小蟲子對于翼型特性的影響�？梢钥闯�，小蟲子的尸體在翼型表面堆積越多，最大升力系數(shù)越小、失速越靠前，但是在小迎角下變化不大。
圖12是固定迎角，連續(xù)吹風(fēng)，每隔5分鐘采集一次數(shù)據(jù)的結(jié)果，隨著小蟲子的尸體堆積越來越多，翼型表面分離點(diǎn)越來越靠前。再觀察圖6，可以發(fā)現(xiàn)，小蟲子尸體的堆積效果與H轉(zhuǎn)捩帶的效果非常接近，即，影響最大升力系數(shù)。在低阻區(qū)對阻力影響不太明顯，但是會使失速迎角提前。
因此，可以得到的基本結(jié)論是：在模擬蟲子尸體堆積對翼型性能影響方面，H型粗糙帶優(yōu)于其他三種形式。
3 結(jié)論
在本文的研究范圍內(nèi)，針對風(fēng)力機(jī)翼型風(fēng)洞實(shí)驗，要模擬轉(zhuǎn)捩位置，最好選用ZZR型粗糙帶，欲模擬自然界污染造成的影響，則選擇H型粗糙帶比較適合。 |
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