CN111322198A - 一种通过射流提升气动性能的风力机翼型 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过射流提升气动性能的风力机翼型，包括：主体和钝尾缘，其中，主体为相对于来流方向位于风力机翼型的前部，钝尾缘相对于来流方向位于风力机翼型的后部，钝尾缘处开设有射流孔，用于通过主动控制的方式输入外部能量使气流从射流孔喷出。本发明的结构简单，能够显著提升并改善翼型气动性能，并应用于风力机中，从而提升风能的利用率。

Description

一种通过射流提升气动性能的风力机翼型
技术领域
本发明涉及一种翼型，具体涉及一种通过射流提升气动性能的风力机翼型。
背景技术
风电是环境友好型能源技术中最成熟，开发范畴最大和贸易化远景最光明的发电方法。随着风力机全球总风机容量逐渐增加，风力机叶片尺寸也逐渐增加，但增大风力机叶片提高风能捕获量的同时也带来其他问题，重量增加，变桨角减小，对高风速难以较为及时作出应对；负载过度，运行的可靠性降低；叶片柔性增强，所受载荷和气弹特性增大，挥舞摆动幅度增大，安全性降低。
针对风力机叶片的疲劳载荷，叶根失速等问题，通过一系列流动控制，改善流动分离，减少载荷，提高风力机运行的效率和可靠性，国内外学者进行了许多提升风力机翼型气动性能的研究。
吹气控制作为流动控制的一种方式可以分为被动流动控制和主动控制。被动喷气控制方式：通过引风进入固定流道供给风力机叶片改善流场，无外部能量消耗。主动喷气控制方式：吹气的速度直接由外部设备提供改善翼型流场，有外部能量消耗。
共流喷射(coflowjet简称CFJ)应用于风力机时，在风力机翼型吸力面前端附近的开喷射槽同时在翼型后缘附近开一个进气槽表面如图1所示。翼型吸力面射流槽喷射出与来流方向一致的高能量切向射流注入后缘附近进气槽，整个过程中过程喷射槽和进气槽具有相同的质量流量，实现这一循环过程依靠翼型内部泵提供整个能量消耗。Dano等[1]研究了共流射流(CFJ)翼型的射流混合，以分析升力增强，减阻的机理。
零质量射流，是一种全新的、具有广泛应用前景的流动控制技术。与传统的流动控制手段相比，这种射流装置无机械移动部件、无需气源管道、结构紧凑，以及具有响应快、频带宽等优点，可用于分离控制、增强混合、提高微型飞机的操纵力以及实现推力矢量控制等。风力机翼型应用合成射流技术对翼型吸力面附面层来流进行控制以达到的增升减阻的目的。朱等[2]研究翼型吸压力面零质量射流应用在垂直轴风力机中的效果，通过控制翼型吸压力面的射流最大程度的改善垂直轴风力机的运行效率，如图2和图3所示。
此外，针对主动喷气控制技术，射流孔布置在风力机翼型吸力面，当在大攻角时通过射流以达到抑制或延缓翼型流动分离的目的，但是小攻角下吸力面射流并不能够促进翼型升力系数的增加，反而会破坏翼型吸力面来流的附着流动，从而导致翼型升力系数的下降和阻力系数的增加，增升减阻在小攻角下射流孔布置在翼型吸力面射流翼型来说并不是可行的，翼型吸力面射流并不能适应和满足不同攻角下提升风力机翼型气动性能的要求。射流孔布置在风力机翼型压力面尾缘处时，尾缘射流的存在类似于射流襟翼的作用，提升翼型的升力系数，但其在翼型射流角度的控制方面与压力面射流翼型相似即灵活度不高。
参考文献如下：
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[2].朱海天,郝文星,李春等零质量射流技术控制垂直轴风力机流动分离的数值研究[J].应用力学学报,2018,35(6):1192-1199。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种通过射流提升气动性能的风力机翼型。
本发明提供了一种通过射流提升气动性能的风力机翼型，具有这样的特征，包括：主体和钝尾缘，其中，主体为相对于来流方向位于风力机翼型的前部，钝尾缘相对于来流方向位于风力机翼型的后部，钝尾缘处开设有射流孔，用于通过主动控制的方式输入外部能量使气流从射流孔喷出。
在本发明提供的通过射流提升气动性能的风力机翼型中，还可以具有这样的特征：其中，风力机翼型的弦长为c，射流孔的宽度为0.001c、0.002c或0.003c。
在本发明提供的通过射流提升气动性能的风力机翼型中，还可以具有这样的特征：其中，风力机翼型的弦长方向为0°射流角度，该0°射流角度的上方为正射流角度，下方为负射流角度，射流孔的射流角度θ的范围为-20°至20°。
在本发明提供的通过射流提升气动性能的风力机翼型中，还可以具有这样的特征：其中，射流孔的射流速度为v，该射流速度v的大小为来流速度的1.5-2.5倍。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的通过射流提升气动性能的风力机翼型，因为钝尾缘处开设有射流孔，所以能够通过主动控制的方式输入外部能量使气流从射流孔喷出，还能够通过控制单一变量，该单一变量为不同射流孔宽度，不同的射流速度和射流角度，细致研究各参数对翼型气动性能的影响，以达到提升翼型气动性能的目的，此外，还能通过尾部射流来改善风力机翼型的气动性能，并可运用到垂直轴风力机和水平轴风力机。
综上，本发明的通过射流提升气动性能的风力机翼型，尾缘射流在小攻角下同样是起到对风力机翼型增升减阻的目的，避免了小攻角下吸力面射流的负面效果，射流翼型的气动性能在小攻角和大攻角下不同的工作区间都具有优势，此外，不同射流参数下的风力机翼型在不同攻角下的性能研究表明，射流参数的变化对风力机翼型气动性能的影响有差异，其中射流角度的可变范围较大可以应对更加复杂的工况，从而为实际工作条件下调整射流参数从而达到最佳风力机翼型气动性能提供有利的控制条件。
因此，本发明的通过射流提升气动性能的风力机翼型，结构简单，灵活度较高，能够显著提升并改善翼型气动性能，并应用于风力机中，从而提升风能的利用率。
附图说明
图1是共流喷射翼型示意图；
图2是吸压力面带有喷射孔翼型示意图；
图3是吸压力面带有喷射孔的二维垂直轴风力机示意图；
图4是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的示意图；
图5(a)是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的射流孔宽度为0.001c时的不同射流角度下的翼型升阻力曲线图；
图5(b)是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的射流孔宽度为0.003c时的不同射流角度下的翼型升阻力曲线图；
图6是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的0°射流翼型在不同射流角度下的压力速度流线图；
图7是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的0°射流翼型在不同射流孔宽度下的压力速度流线图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
图4是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的示意图。
如图4所示，本发明的一种通过射流提升气动性能的风力机翼型100，包括：主体10和钝尾缘20。
本发明中，风力机翼型为NACA0018射流翼型。
主体10为相对于来流方向位于风力机翼型100的前部。
钝尾缘20相对于来流方向位于风力机翼型100的后部。
钝尾缘20处开设有射流孔201，用于通过主动控制的方式输入外部能量使气流从射流孔201喷出，其中，主动控制为通过从外部注入能量控制物体表面的边界层的流动状态从而达到目的的方法。
本发明中，风力机翼型100的弦长为c，射流孔201的宽度为0.001c、0.002c或0.003c。
本发明中，风力机翼型100的弦长方向为0°射流角度，该0°射流角度的上方为正射流角度，下方为负射流角度，射流孔201的射流角度θ的范围为-20°至20°。
本发明中，射流孔201的射流速度为v，该射流速度v的大小为来流速度的1.5-2.5倍。
本发明中，钝尾缘射流翼型通过外部能量引入具有一定初动量的流体从射流孔喷出，与翼型吸力面来流进行动量交换，提升吸力面来流的下洗能力和边界层的附着流动，从而抑制翼型吸力面在大攻角下的流动分离。与射流孔布置在翼型吸力面上的效果相比，在小攻角下射流同样可以起到对风力机翼型增升的目的，射流翼型的气动性能够在无论是小攻角还是大攻角下都可以具有提升翼型气动性能的效果。
实施例：
图5(a)是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的射流孔宽度为0.001c时的不同射流角度下的翼型升阻力曲线图，图5(b)是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的射流孔宽度为0.003c时的不同射流角度下的翼型升阻力曲线图。
图5(a)和图5(b)为当来流速度为10m/s，尾缘射流速度为25m/s时，不同宽度射流孔下不同射流角度翼型升阻力曲线图。射流孔宽度为0.001c和0.003c时，射流翼型的小攻角下不同射流孔宽度正角度射流表现出来的效果皆是不利翼型的升力系数的提升，而阻力系数与实验值接近，在大攻角时，正角度射流则优于原始翼型，而负角度射流翼型在不同来流攻角皆是优于原始翼型。说明不同射流角度对翼型气动性能的影响效果是有差异的，负面影响但只是局限在小攻角下负角度射流，大攻角皆是促进翼型气动性能的提升，因此翼型尾缘射流具有显著提升改善翼型气动性能的能力。
图6是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的0°射流翼型在不同射流角度下的压力速度流线图，图6(a)是攻角18°时的原始翼型的压力速度流线图，图6(b)是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的0°射流翼型在攻角18°时的20°射流角下的压力速度流线图，图6(c)是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的0°射流翼型在攻角18°时的-20°射流角下的压力速度流线图。
图7是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的0°射流翼型在不同射流孔宽度下的压力速度流线图，图7(a)是攻角18°时的原始翼型的压力速度流线图，图7(b)是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的0°射流翼型在攻角18°时的0.001c射流宽度下的压力速度流线图，图7(c)是本发明的实施例中通过射流提升气动性能的风力机翼型的0°射流翼型在攻角18°时的0.003c射流宽度下的压力速度流线图。
图6和图7为来流速度为10m/s，射流速度为25m/s，为18°时，0°射流翼型在不同射流角度和射流孔宽度的压力速度流线图。由图6可知，在大攻角下20°射流具有明显抑制翼型吸力面流动分离的能力，分离点更靠近翼型尾缘，且与原始翼型相比具有更大的负压区，从而影响翼型的升力系数。而大的负角度射流并没有明显抑制翼型的流动分离，且负压区变化不明显。由图7可知，在大攻角下射流孔的宽度为0.001c和0.003c皆具有翼型翼型尾缘涡脱落的能力，并随着射流孔宽度的增加射流抑制翼型表面分离涡产生的能力越强，从而延缓翼型表面的流动分离。
综上，不同射流孔宽度和射流速度翼型在不同角度射流下，小攻角时，负角度射流增加翼型升力，且增升效果与射流孔宽度和射流速度成正相关，阻力系数与原始翼型基本一致。大攻角下，正射流角度抑制流动分离，升力系数皆优于原始翼型。并可运用到水平轴风力机和垂直轴风力机当中以达到提升风力机翼型气动性能，最终提升风力机风能利用率的目的。
实施例的作用与效果
根据本实施例可知，因为钝尾缘处开设有射流孔，所以能够通过主动控制的方式输入外部能量使气流从射流孔喷出，还能够通过控制单一变量，该单一变量为不同射流孔宽度，不同的射流速度和射流角度，细致研究各参数对翼型气动性能的影响，以达到提升翼型气动性能的目的，此外，还能通过尾部射流来改善风力机翼型的气动性能，并可运用到垂直轴风力机和水平轴风力机。
综上，本发明的通过射流提升气动性能的风力机翼型，尾缘射流在小攻角下同样是起到对风力机翼型增升减阻的目的，避免了小攻角下吸力面射流的负面效果，射流翼型的气动性能在小攻角和大攻角下不同的工作区间都具有优势，此外，不同射流参数下的风力机翼型在不同攻角下的性能研究表明，射流参数的变化对风力机翼型气动性能的影响有差异，其中射流角度的可变范围较大可以应对更加复杂的工况，从而为实际工作条件下调整射流参数从而达到最佳风力机翼型气动性能提供有利的控制条件。
因此，本发明的通过射流提升气动性能的风力机翼型，结构简单，灵活度较高，能够显著提升并改善翼型气动性能，并应用于风力机中，从而提升风能的利用率。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
例如，上述实施例中，射流孔的宽度为0.001c、0.002c或0.003c，射流角度θ的范围为-20°至20°，该射流速度v的大小为来流速度的1.5-2.5倍，但在本发明中，钝尾缘射流孔的射流参数，如：射流角度、射流速度、射流方向均可以根据不同外在情况进行调整，并不局限于已列参数范围，同时针对钝尾缘的尾缘射流流动控制可以应用到非钝尾缘翼型的尾缘处，如射流孔位置可以靠近非钝尾缘的尾缘压力面等，同样能够提升并改善翼型气动性能。

Claims (4)

1.一种通过射流提升气动性能的风力机翼型，其特征在于，包括：主体和钝尾缘，
其中，所述主体为相对于来流方向位于所述风力机翼型的前部，所述钝尾缘相对于来流方向位于所述风力机翼型的后部，
所述钝尾缘处开设有射流孔，用于通过主动控制的方式输入外部能量使气流从所述射流孔喷出。
2.根据权利要求1所述的通过射流提升气动性能的风力机翼型，其特征在于：
其中，所述风力机翼型的弦长为c，所述射流孔的宽度为0.001c、0.002c或0.003c。
3.根据权利要求1所述的通过射流提升气动性能的风力机翼型，其特征在于：
其中，所述风力机翼型的弦长方向为0°射流角度，该0°射流角度的上方为正射流角度，下方为负射流角度，
所述射流孔的射流角度θ的范围为-20°至20°。
4.根据权利要求1所述的通过射流提升气动性能的风力机翼型，其特征在于：
其中，所述射流孔的射流速度为v，该射流速度v的大小为来流速度的1.5-2.5倍。
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