劉永輝, 裴 振, 者浩楠, 譚俊哲,3, 袁 鵬,3, 薛 宇

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266100;2. 中國海洋大學(xué)工程訓(xùn)練中心,山東 青島 266100; 3. 中國海洋大學(xué) 山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100)

葉片是潮流能水輪機(jī)的主要獲能部件,其性能的優(yōu)劣直接影響水輪機(jī)的發(fā)電效率和使用壽命。近年來改善水輪機(jī)葉片水動(dòng)力學(xué)性能,提高其發(fā)電效率成為潮流能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。設(shè)計(jì)研發(fā)一種高效率的水輪機(jī)葉片周期長、造價(jià)高,而通過在已有葉片上安裝合適的被動(dòng)流動(dòng)裝置,來提高其性能則更為實(shí)用。作為一種簡單有效的被動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù),格尼襟翼(Gurney flap, GF)的結(jié)構(gòu)簡單、增升效果顯著,因而受到了廣泛關(guān)注[2]。

格尼襟翼是位于葉片尾緣壓力側(cè),垂直于弦線且高度厚度均較小的一種有效增升裝置[4-7]。格尼襟翼最早應(yīng)用于賽車后翼板,用來增大賽車的抓地力;后來被成功應(yīng)用于改善風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)性能[3]。目前格尼襟翼的研究和應(yīng)用主要集中在風(fēng)電領(lǐng)域。Chakroun Yosra等[8]研究了格尼襟翼對NACA 4412 翼型性能的影響,結(jié)果表明:隨著格尼襟翼高度的不斷增加,翼型的升力系數(shù)會(huì)逐漸增大,但同時(shí)阻力系數(shù)也會(huì)略有增加。Xi等[9]研究了格尼襟翼對流動(dòng)分離現(xiàn)象的影響,結(jié)果表明:當(dāng)攻角較小(α≤2°)時(shí),格尼襟翼會(huì)抑制翼型表面的流動(dòng)分離現(xiàn)象;格尼襟翼的存在會(huì)增大翼型失速前的升力,并可提高特定攻角下的升阻比。Chen等[10]對有無格尼襟翼的翼型氣動(dòng)性能進(jìn)行了分析,結(jié)果表明格尼襟翼可以使翼型的最大升力系數(shù)提高15.33%,翼型升力的增量同格尼襟翼高度的平方根成正比。

雖然潮流能水輪機(jī)同風(fēng)力機(jī)有一定相似之處,但水輪機(jī)所處海水的密度大,故不能忽視海水所受重力的影響,且水輪機(jī)的工作環(huán)境較風(fēng)力機(jī)更為復(fù)雜惡劣。目前潮流能水輪機(jī)領(lǐng)域主要是通過改變?nèi)~片形狀來提高其性能,如袁鵬等[11]基于遺傳算法,利用儒可夫斯基保角變換法對翼型進(jìn)行參數(shù)化建模,從而改善原有翼型的升力系數(shù)和升阻比。Shi等[12]結(jié)合座頭鯨鰭的前緣結(jié)節(jié)來改善水輪機(jī)葉片的翼型結(jié)構(gòu),結(jié)果表明:前緣結(jié)節(jié)可使得翼型在失速條件下保持較高的升力系數(shù),并使最大升阻比提高5.8%,但同時(shí)還會(huì)降低最大升力系數(shù)。上述方法雖然可在一定程度上提高葉片性能,但使葉片的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。

該文在不改變原始葉片翼型的前提下,于翼型段上安裝格尼襟翼這種附加件,并由此開展格尼襟翼對水輪機(jī)葉片水動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律的研究,以NACA4418翼型為研究對象,研究了不同格尼襟翼參數(shù)對水輪機(jī)葉片翼型水動(dòng)力性能的影響規(guī)律,通過水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,驗(yàn)證了該文研究方法的正確性,所得結(jié)論可為格尼襟翼安裝于潮流能水輪機(jī)的后續(xù)研究提供一定參考。

1 幾何模型

1.1 翼型段

選取NACA4418翼型段為研究對象,該翼型具有較高的升力系數(shù)以及較低的阻力系數(shù),因而在潮流能水輪機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛[13]。該文采用NACA4418翼型的直翼段,其弦長為300 mm,展向長度為260 mm,基礎(chǔ)翼型段和加裝格尼襟翼后的翼型段分別如圖1(a)、(b)所示。

((a) 基礎(chǔ)翼型段 Basic hydrofoil; (b)帶GF翼型 Hydrofoil with GF.)

1.2 格尼襟翼

格尼襟翼通過增加翼型尾緣的曲率,增大翼型繞流環(huán)量,來改善翼型的水動(dòng)力學(xué)性能并提高翼型升力,其具體實(shí)現(xiàn)效果同格尼襟翼的幾何參數(shù)直接相關(guān)[14-19]。格尼襟翼的幾何參數(shù)如圖1(b)所示,取襟翼厚度為1 mm,高度、弦向位置(即尾緣長度)以及偏轉(zhuǎn)角度分別用H、L和Φ表示。

為了驗(yàn)證格尼襟翼不同幾何參數(shù)對翼型水動(dòng)力學(xué)性能的影響,該文共設(shè)計(jì)了8組模型,分別改變格尼襟翼的高度、弦向位置以及偏轉(zhuǎn)角度來模擬其性能,8組格尼襟翼模型的數(shù)據(jù)如表1所示,其中C為葉片翼型弦長。

表1 不同格尼襟翼及其幾何參數(shù)

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值計(jì)算方法

該文采用STAR CCM+商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,該軟件的優(yōu)點(diǎn)是在網(wǎng)格適應(yīng)性、計(jì)算穩(wěn)定性和收斂性等方面均具有較好性能[19]。該文將翼型繞流問題看作是不可壓縮流動(dòng)問題,控制方程選用三維不可壓縮Navier-Stokes方程和三維連續(xù)性方程,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算。湍流模型選擇SSTk-ω湍流模型,該模型具有k-ω模型在近壁區(qū)計(jì)算和k-ε模型在遠(yuǎn)場計(jì)算的兩方面優(yōu)點(diǎn)[22]。

三維連續(xù)性方程:

(1)

三維不可壓縮Navier-Stokes方程:

(2)

(3)

(4)

式中:ρ為流體密度(kg/m3);u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量(m/s);t為時(shí)間(s);p為壓力(Pa)。

假設(shè)葉片翼型的水動(dòng)力性能參數(shù)主要由升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd以及升阻比Cl/Cd表示,則升力系數(shù)Cl的計(jì)算公式為:

(5)

阻力系數(shù)Cd的計(jì)算式為:

(6)

式中:ρ為流體密度(kg/m3);V為來流方向上的速度值(m/s);A為翼型參考面積(m2);Fl為翼型升力(N);Fd為翼型阻力(N);

2.2 計(jì)算域和邊界條件

該文采用的計(jì)算域如圖2所示,為降低邊界對計(jì)算結(jié)果的影響,設(shè)置計(jì)算域入口距離翼型前緣為10倍弦長,計(jì)算域出口距離翼型尾緣為20倍弦長,上、下邊界距離翼型均為10倍弦長。計(jì)算域左側(cè)設(shè)置為速度入流邊界,入口速度取1.0 m/s,右側(cè)為壓力出口邊界,前、后面為對稱面邊界條件,上、下面和翼型表面為無滑移壁面邊界條件。

(C:弦長 Chord length.)圖2 整體計(jì)算域

2.3 網(wǎng)格劃分

該文采用STAR CCM+軟件特有的多面體網(wǎng)格,其優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)具有六面體網(wǎng)格的精確性和四面體網(wǎng)格的易生成性。基礎(chǔ)翼型段和帶格尼襟翼的水輪機(jī)葉片翼型段采用相同的網(wǎng)格設(shè)置參數(shù),在翼型段表面設(shè)置第一層邊界層厚度為0.01 mm,邊界總層數(shù)為30,網(wǎng)格增長率取1.3,以保證邊界層y+≤1。為提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,對翼型表面、格尼襟翼及其附近流場的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理(見圖3)。

圖3 帶GF翼型段表面附近的多面體網(wǎng)格

2.4 數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

采用SST k-ω湍流模型,對基礎(chǔ)翼型和加裝不同參數(shù)格尼襟翼的翼型進(jìn)行數(shù)值模擬。為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性,本研究通過水槽試驗(yàn)[20]來加以驗(yàn)證。試驗(yàn)在山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)水槽長60 m,寬1.2 m,高1 m,最大設(shè)計(jì)流速可達(dá)1.5 m/s,滿足試驗(yàn)要求。水槽試驗(yàn)裝置及模型如圖4所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值模型一致,均采用弦長300 mm,展長為260 mm的翼型段。當(dāng)水槽來流速度為1.0 m/s時(shí),對不同攻角下基礎(chǔ)翼型段進(jìn)行試驗(yàn),通過三向力測量儀測量基礎(chǔ)翼型段的升力和阻力。

圖4 實(shí)驗(yàn)場地及翼型段模型

圖5所示為水槽試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的水動(dòng)力學(xué)性能對比,可以看出,試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合良好。

圖5 翼型段性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬對比

3 結(jié)果與分析

3.1 襟翼高度對翼型性能的影響

對加裝GF1、GF2、GF3的三種翼型段進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)性能分析,其結(jié)果如圖6所示。GF1(H=1%C)、GF2(H=3%C)和GF3(H=6%C)是除了高度不同其他參數(shù)相同的3個(gè)模型,取襟翼厚度為1 mm,尾緣長度L為0%C,偏轉(zhuǎn)角度Φ為90°。

圖6 襟翼高度對翼型水動(dòng)力學(xué)性能的影響

由圖6(a)可以看出,同基礎(chǔ)翼型段相比,加裝格尼襟翼會(huì)明顯提高翼型的升力系數(shù),且隨著襟翼高度的增加,翼型升力系數(shù)呈非線性增大。對于分別加裝GF1、GF2和GF3的三種翼型段,它們的最大升力系數(shù)分別增加了24.08%、60.51%和83.51%;翼型失速后,GF3的升力系數(shù)相比于GF2會(huì)急劇降低,整體增升效果變差。同時(shí)還可以看出,襟翼高度的增加會(huì)使翼型失速角降低,而翼型的零升力攻角也有變負(fù)的趨勢,這是由于襟翼的存在,增大翼型的有效外傾角和彎度[24]。

由圖6(b)可以看出,襟翼的存在還會(huì)增大翼型段的阻力系數(shù),且襟翼高度越高,阻力系數(shù)越大。對于分別加裝GF1、GF2和GF3的三種翼型段,它們的最大阻力系數(shù)分別增加了15.53%、41.03%和72.08%,且阻力增加的幅度會(huì)隨著高度的增加而增大。綜合分析可知,存在一個(gè)最佳襟翼高度可使得翼型段獲得最佳的水動(dòng)力學(xué)性能,針對此模型,GF2對翼型段的性能提升最明顯。

為進(jìn)一步揭示格尼襟翼對水輪機(jī)葉片翼型水動(dòng)力學(xué)性能的作用機(jī)理,圖7給出了最大升力系數(shù)(α=16°)下,不帶襟翼和帶不同高度格尼襟翼模型的流線圖。由圖7可看出,加裝襟翼使得翼型上表面流線更貼合吸力面。一方面,這是由于在襟翼后方生出一對反向渦,其內(nèi)上方順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的渦,會(huì)誘導(dǎo)翼型段上表面流體在尾緣處向下偏轉(zhuǎn),從而增大上表面的繞流環(huán)量和邊界層抵抗逆壓梯度的能力;另一方面,襟翼下方逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的渦則會(huì)抵消壓力面繞流的部分能量,從而降低流速。通過伯努利定理中流速和壓強(qiáng)的關(guān)系可知,襟翼高度的增加會(huì)增大翼型上下表面的壓差和升力,但是當(dāng)格尼襟翼高度增大到一定程度即GF3(H=6%C)時(shí),其高度已遠(yuǎn)大于此翼型的邊界層厚度,此時(shí)尾流區(qū)內(nèi)反向渦的尺寸和尾流區(qū)面積都急劇增加(見圖7c),導(dǎo)致翼型的阻力隨之增大[5],襟翼的增升效果變差。

圖7 α=16°時(shí),不同襟翼高度對翼型流場的影響

如圖8所示,分別為基礎(chǔ)翼型段和加裝高度分別為3%C和6%C襟翼的翼型段壓力云圖。可以看出,在加裝GF后,壓力面的尾緣襟翼前方會(huì)出現(xiàn)高壓區(qū)域,并顯著增大下表面的壓力,而襟翼后方則出現(xiàn)低壓區(qū)域;吸力面的前緣附近產(chǎn)生更小的負(fù)壓區(qū),且上表面的整體壓力變小。這是由于襟翼高度的增加相當(dāng)于尾緣的延伸,從而提高翼型的有效彎度,導(dǎo)致翼型吸力面的壓力增大和壓力面壓力減小,即翼型的升力隨襟翼高度的增加而增大。

圖8 α=16°時(shí),襟翼高度對翼型表面靜壓力的影響

圖9為16°攻角時(shí)不同高度下,沿弦長方向翼型表面的壓力散點(diǎn)圖?？梢钥闯?隨著襟翼高度的增加,翼型上表面負(fù)壓明顯降低,上表面前緣的吸力增大;下表面的壓力逐漸增大,而在翼型表面壓力分布圖中,曲線所圍面積可表示翼型的升力大小[25],即翼型段的升力逐漸增大。但當(dāng)高度超過一定值(H=3%C)時(shí),曲線所圍面積的增加幅度會(huì)變小,此時(shí)再增加高度會(huì)降低襟翼的增升效果。

圖9 α=16°時(shí),襟翼高度對翼型表面壓力影響

3.2 襟翼弦向位置對翼型性能的影響

對加裝GF2、GF4、GF5、GF6的四種翼型段進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)性能對比分析,其中GF2 (L=0%C)、GF4 (L=15%C)、GF5(L=10%C)、GF6 (L=15%C)是除弦向位置不同其余參數(shù)相同的4個(gè)模型,取厚度為1 mm,高度H為3%C,偏轉(zhuǎn)角度Φ為90°,所得升阻力系數(shù)變化如圖10所示。

圖10 襟翼弦向位置對翼型水動(dòng)力學(xué)性能的影響

由圖10(a)可知,隨著襟翼遠(yuǎn)離尾緣位置,翼型的失速角略有降低,而在翼型失速前,襟翼位置對升力系數(shù)的影響較小;失速后,隨著襟翼遠(yuǎn)離尾緣位置,其升力系數(shù)會(huì)顯著降低。同時(shí),對于分別加裝GF2、GF4、GF5和GF6的4種翼型段,它們的最大升力系數(shù)分別增加了60.51%、58.27%、51.34%和41.73%。由圖10(b)可以看出:在翼型失速(α=16°)前,阻力系數(shù)幾乎不發(fā)生變化;在翼型失速后,隨著襟翼遠(yuǎn)離尾緣,阻力略有減小。此時(shí)加裝GF2、GF4、GF5和GF6的翼型段的最大阻力系數(shù)分別增加了41.01%、38.03%、28.84%和17.46%。但是考慮到隨著襟翼遠(yuǎn)離尾緣位置,升力系數(shù)會(huì)顯著降低,且尾緣位置處的失速角降低的最少,故尾緣位置處的格尼襟翼最能改善翼型的水動(dòng)力性能。

圖11為α=16°時(shí),不同襟翼弦向位置下的翼型速度流場圖?？梢钥闯?隨著襟翼遠(yuǎn)離尾緣位置(0～15%C),尾流區(qū)內(nèi)上方的渦受襟翼的影響降低,上表面的流速略有下降,襟翼對上表面流體的引導(dǎo)作用減弱,繞流環(huán)量減小。而尾流區(qū)內(nèi)下方的渦明顯成型,湍流強(qiáng)度增大,下表面流速有所增加。據(jù)伯努利定理中速度和壓力的關(guān)系可知,翼型上下表面的壓差減小了,即襟翼的增升效果變差。

圖11 α=16°時(shí),GF弦向位置對翼型流場的影響

圖12為α=16°時(shí),不同襟翼弦向位置處的翼型壓力云圖對比?？梢钥闯?隨著襟翼遠(yuǎn)離尾緣位置,翼型尾緣附近的高壓區(qū)面積減小,壓力降低,甚至在襟翼后方出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域,導(dǎo)致翼型上下表面壓差變小。同時(shí)襟翼的前移相當(dāng)于降低翼型的有效彎度,使得襟翼的增升效果降低。

圖12 α=16°時(shí),GF弦向位置對翼型表面壓力影響 Fig.12 Effect of GF chord position on static pressure distribution of hydrofoil at α=16°

圖13為α=16°時(shí),不同弦向位置下,沿弦長方向翼型表面的壓力散點(diǎn)圖。由圖13可知,隨襟翼遠(yuǎn)離尾緣位置,上表面的壓力略有降低,下表面前部分壓力幾乎不變,但在弦向0.6C～0.85C的范圍內(nèi)壓力有所增加,同時(shí)襟翼后方的正壓值則會(huì)急劇降低,直至為負(fù)。從整體上看,弦向位置的變化會(huì)使曲線所圍面積減小,降低翼型的升力系數(shù)和增升效果。

圖13 α=16°時(shí),弦向位置對翼型表面壓力影響

3.3 襟翼偏轉(zhuǎn)角度對翼型性能的影響

對分別加裝GF2、GF7和GF8的3種翼型段進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)性能分析,其中GF2(Φ=90°)、GF7(Φ=45°)和GF8(Φ=120°)是除偏轉(zhuǎn)角度不同其余參數(shù)相同的3個(gè)模型,高度H為3%C,弦向位置L為0%C,其結(jié)果如圖14所示。由圖14(a)可以看出,隨著偏轉(zhuǎn)角度的贈(zèng)加,升力系數(shù)先增大后減小,加裝GF2的翼型段所獲升力系數(shù)最大,且分別加裝GF7、GF2和GF8的三種翼型段的最大升力系數(shù)分別增加了55.60%、60.51%和49.85%,其中加裝GF2的翼型段所獲升力系數(shù)最大。由圖14(b)和(c)可以看出,隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加,阻力系數(shù)和升阻比變化不明顯。

圖14 襟翼偏轉(zhuǎn)角度對翼型水動(dòng)力學(xué)性能的影響

圖15為α=16°時(shí)不同偏轉(zhuǎn)角度下,翼型的速度流線圖。由圖可知,隨著偏轉(zhuǎn)角度的增加,上表面的深色區(qū)域面積先增大后減小,即在GF2(Φ=90°)時(shí)上表面流速最大,而下表面的流速幾乎不發(fā)生變化。綜上所述,當(dāng)襟翼偏轉(zhuǎn)90°(即GF2)時(shí)翼型可獲得最大的升力,即增升效果最佳。

圖15 α=16°時(shí),偏轉(zhuǎn)角度對翼型流場的影響

4 結(jié)論

(1) 格尼襟翼可以有效地改善翼型段的水動(dòng)力性能,提高翼型的最大升力系數(shù),但翼型段的失速角會(huì)有所降低,同時(shí)阻力系數(shù)也略有增大。

(2) 在本次研究中,研究了不同格尼襟翼高度、弦向位置以及偏轉(zhuǎn)角度對葉片翼型水動(dòng)力學(xué)性能的影響,其中GF2(H=3%C,L=0%C,Φ=90°)的改善效果最佳,其最大升力系數(shù)增加了60.51%,這說明合理的格尼襟翼參數(shù)設(shè)置可有效地提高翼型的水動(dòng)力學(xué)性能。

(3) 該文的研究結(jié)果能夠?yàn)楦衲峤笠響?yīng)用于改善水輪機(jī)葉片翼型的水動(dòng)力學(xué)性能提供理論指導(dǎo),在上述基礎(chǔ)上還需對加裝格尼襟翼后翼型的失速角降低現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化,并開展格尼襟翼對水輪機(jī)三維扭曲葉片水動(dòng)力學(xué)特性的影響研究,這將是本研究團(tuán)隊(duì)下一步研究工作的重要內(nèi)容。