關(guān)鍵詞：粗糙帶；風(fēng)力機(jī)；翼型；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：S213     文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Selection and Research on Transition Tape in Wind-Turbine Airfoil Section Wind Tunnel Experiment 
Abstract：Due to the limitation of model demension and experimental speed, the experimental Reynolds number in the low speed wind tunnel is usually less than the practical value of airfoil section of wind turbine. This will make the transition location difference between experimental and actual situation. For the purpose of simulating real condition, fixed transition performed with transition tape is often adopted in wind tunnel experiments. Practice shows that the types and parameters of transition tape have an important impact on the experimental results. It needs to be chosen very carefully. In addition, because the wind turbine blade operated in the field for long time, contaminations accumulate on it and increase its surface roughness. This contamination has a great role on the rotor performance; the impact of it has not been well studied. This paper gives a summary of wind tunnel test results and discusses the actions of four types of transition tape of ZZ,ZZT,T and H, and additional effects on the wind turbine airfoil section. The results show that ZZT-type has well transition effect with the least additional drag and H-type has a better simulation for the impact of the insect compacts in the wind turbine blade airfoil experiment. 
Key words: transition tape; wind-turbine; airfoil section; wind tunnel experiment 
0 引言
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(yàn)^[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(yàn)風(fēng)速的限制，低速翼型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性較差。T和H型為NF-3風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)中粗糙帶的選擇提出參考建議。
1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)驗(yàn)設(shè)備
1.1 風(fēng)洞
實(shí)驗(yàn)是在西北工業(yè)大學(xué)NF-3 低速直流風(fēng)洞二元實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)?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(yàn)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(yàn)方法、結(jié)果與分析
2.1 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為18m/s、26m/s、53m/s、79m/s、88m/s，對應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果與分析
限于篇幅，這里僅列舉典型實(shí)驗(yàn)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。

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(yàn)室進(jìn)行了小蟲子尸體堆積對于翼型性能影響的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)的翼型為實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計的某型35%厚度的風(fēng)力機(jī)翼型。
實(shí)驗(yàn)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。

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(yàn)，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。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 鐘偉強(qiáng).國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的概況[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2005(5)：44-46.
[2] 于建輝，周浩.我國風(fēng)電開發(fā)的現(xiàn)狀及展望[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2006(6)：46-51.
[3] 趙榮珍，呂鋼.大型水平軸式風(fēng)力機(jī)的國內(nèi)外研究狀況分析[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2009(1)：59-64.
[4] 張維智.低雷諾數(shù)高升力翼型大攻角失速特性的實(shí)驗(yàn)研究[D].清華大學(xué)，1995.
[5] 張維智，賀德馨.低雷諾數(shù)高升力翼型的設(shè)計和實(shí)驗(yàn)研究[J].空氣動力學(xué)學(xué)報，1998(3)：363-367.
[6] 胡遠(yuǎn)，張師帥.基于CFD分析的翼型性能預(yù)測[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2009(1)：10-13.
[7] 葉正寅，謝飛.中等及大迎角下的翼型氣動彈性性質(zhì)研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2009(2)：9-14.
[8] 馬林靜，陳江，杜剛，等.風(fēng)力機(jī)翼型氣動特性數(shù)值研究[J]. 太陽能學(xué)報，2010(2)：203-209.
[9] 程厚梅. 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)干擾與修正[M]. 國防工業(yè)出版社，2003.
[10] 包能勝，雷福鵬，葉枝全，等.表面粗糙度對風(fēng)力機(jī)翼型氣動性能影響[J]. 太陽能學(xué)報，2005(4)：458-462.
[11] 包能勝，倪維斗. 風(fēng)力機(jī)翼型前緣表面粗糙度對氣動性能影響[J]. 太陽能學(xué)報，2008(12)：1465-1470.
[12] R.P.J.O.M. van Rooij, W.A.Timmer. Roughness sensitivity considerations for thick rotor blade airfoils[R]. AIAA 2003-350，2003.
[13] W.A. Timmer, R. P. J. O. M. van Rooij.
Summary of the Delft University wind turbine dedicated airfoils[J]. Journal of Solar Engineering，2003，125：488-126.
[14] W.A. Timmer, A.P. Schaffarczyk. The effect of roughness at high Reynolds Numbers on the performance of DU 97-W-300Mod[J]. Wind Energy，2004(7)：295-307.
[15] M.R. Soltani, A.H. Birjandi. Effect of surface contamination on the performance of a section of a wind turbine blade[R]. AIAA 2007-1081，2007.