| 隨著科學技術的發(fā)展和能源需求的日益增大，環(huán)境保護問題也迫在眉睫，風能作為一種潔凈的可再生環(huán)保能源以其獨特的優(yōu)越性越來越受到社會的重視[1-3] 。風力機發(fā)電是利用風能的主要形式，葉片是風力發(fā)電機吸收風能的重要部件，而翼型又是葉片設計的最基本要素。大型風力發(fā)電機風輪葉片使用的翼型，其雷諾數通常在1×106～6×106之間。風洞實驗[4-5]和數值模擬[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驗風速的限制，低速翼型風洞實驗雷諾數通常不能覆蓋所有雷諾數范圍，雷諾數導致翼型表面轉捩位置不同，翼型表面流動情況與實際情況不相符，層流范圍、湍流范圍、分離點的位置、壓力分布及翼型的升力、阻力和力矩特性都與真實情況存在一定差異。為了盡量真實的模擬實際流動，采取在翼型前緣粘貼粗糙帶進行固定轉捩實驗的方法。
另外，由于制造過程、表面老化、昆蟲尸體堆積、風吹雨打和表面結冰等原因，商業(yè)運用的風力機葉片前緣實際上有一定的粗糙度。在實驗過程中對其準確的模擬比較困難，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)到湍流的轉捩位置，其基本的要求是引起轉捩的同時附加的影響盡量小，二維翼型實驗中，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，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。大量實踐表明，粗糙帶的種類及其參數對于實驗結果有著重要的影響，需要非常仔細地進行選擇 [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，容易導致不同期實驗數據重復性較差。T和H型為NF-3風洞實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驗數據的差異。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洞實驗中昆蟲尸體在翼型表面堆積影響的模擬，試圖對風力機翼型實驗中粗糙帶的選擇提出參考建議。
1 實驗模型與實驗設備
1.1 風洞
實驗是在西北工業(yè)大學NF-3 低速直流風洞二元實驗段進行的。實驗段長8.0m，寬3.0m，高1.6m，湍流度低于0.045% , 風速范圍10~130m/s，翼型實驗最大雷諾數為7.0×106。
1.2 翼型模型
模型為DU93-210翼型，相對厚度為21%。實驗模型弦長800mm，展長1 590mm，采用鋼芯木質結構。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 實驗方法、結果與分析
2.1 實驗方法
實驗風速為18m/s、26m/s、53m/s、79m/s、88m/s，對應實驗雷諾數為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。所有壓力數據均由PSI9816電子掃描閥測量得到。
2.2 實驗結果與分析
限于篇幅，這里僅列舉典型實驗結果進行分析說明。
2.2.1 轉捩的模擬
圖5為在Re=3.0×106下固定轉捩與自然轉捩升力系數對比曲線，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型的最大升力系數最低。
9°迎角下自然轉捩與固定轉捩壓力分布對比曲線見圖6，H型粗糙帶下分離點最靠近翼型前緣，T型粗糙帶次之，因而 H型粗糙帶下翼型升力系數最小。
阻力曲線如圖7所示。四種形式的阻力系數在低阻區(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論，ZZT型粗糙帶具有較好的轉捩效果，且附加阻力最小。
2.2.2 小蟲子尸體堆積影響的模擬
NF-3風洞為直流式低速風洞，風洞的進排氣都通大氣，2010年春夏之交，在小蟲子特別多的幾天，實驗室進行了小蟲子尸體堆積對于翼型性能影響的實驗研究。實驗的翼型為實驗室自行設計的某型35%厚度的風力機翼型。
實驗的典型曲線見圖9～圖11。圖中的“正常吹風”表示按常規(guī)吹風執(zhí)行，即在風速穩(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”表示，將模型清理干凈，從7°開始吹風到15°結束。與“正常吹風”相比，對應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，每隔5分鐘采集一次數據的結果，隨著小蟲子的尸體堆積越來越多，翼型表面分離點越來越靠前。再觀察圖6，可以發(fā)現(xiàn)，小蟲子尸體的堆積效果與H轉捩帶的效果非常接近，即，影響最大升力系數。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 結論
在本文的研究范圍內，針對風力機翼型風洞實驗，要模擬轉捩位置，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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