实验研究：动态失速的气动力差异与经验模型描述

以3.2节中提到的麦克马斯特大学研制的垂直轴风力机叶片为研究对象，在旋转状态下，叶片攻角变化为

式中 ψ——叶片方位角；

λ——叶尖速比。

通过CFD计算得到如下结果：图3-18为旋转叶片在方位角ψ=180°时，叶片中部截面周边相同速度气流流线分布。图中旋转状态下叶片承受垂直于翼型弦线的空气气流，同时叶片垂直气流运动，快速挤压气流，气流流速在翼型前缘达到最大值，翼型下部气流较为平稳过渡到翼型后缘，且还具有加速趋势。而非旋转状态下气流流线分布呈现攻角敏感性特征，在该方位角下，由式（3-1）可算得翼型的攻角值，翼型呈失速状态，下部呈紊流状态，如图3-18（b）所示。

图3-19为非旋转单叶片在各个方位角上的稳态计算力矩与旋转单叶片对应方位角上的瞬态计算力矩比较图。由图3-19可见，非旋转状态下叶片在相同攻角和合速度下，在一个周期内有两个扭矩输出峰值，峰值大致相等。在相对应方位角上，旋转状态下单根叶片同样出现峰值。在动态失速效应影响下，在相同攻角和合速度时，旋转状态下叶片和非旋转叶片呈现不同的气动力。同时，旋转叶片在一定范围的方位角上出现负扭矩，而非旋转叶片只有在弦线与气流方向平行（ψ=90°，270°）时扭矩为负值。(www.xing528.com)

图3-18　叶片中部截面流线分布

图3-19　非旋转和旋转叶片输出扭矩随方位角分布

动态失速虽然是极其复杂的非定常空气动力学问题，其影响因素是多方面的，包括翼型几何形状、雷诺数、斯德鲁哈尔数、攻角和马赫数。但是，相关经验模型能够较好地描述达里厄型风力机的动态失速效应。