涡流发生器对厚翼型动态失速特性的影响机制及风能应用研究

本研究针对风力涡轮机厚翼型（35%相对厚度）在动态失速条件下的流动控制难题，通过风洞实验系统探究了涡流发生器（VGs）的弦向位置、尾缘间隙等参数对动态失速特性的影响。研究发现VGs能通过稳定上冲程阶段流动延迟动态失速，但会增大最大升力超调量，尤其对平背翼型（flatback）可能加剧动态载荷。研究揭示了平背与非平背翼型的动态失速行为差异，为优化风力机叶片设计提供了关键实验依据。

　　

随着全球风电产业向大型化发展，现代风力涡轮机叶片长度已突破百米级，其根部区域采用厚度达35%的翼型以提升结构强度。然而，这类厚翼型在动态来流条件下易发生动态失速（dynamic stall），导致升力骤降和振动载荷激增，严重威胁叶片寿命。更棘手的是，为改善气动性能采用的平背翼型（flatback airfoils）虽能降低压力梯度，却可能加剧动态失速时的载荷波动。传统针对直升机薄翼型的流动控制研究难以直接迁移，厚翼型动态失速的主动控制成为风电领域亟待解决的"卡脖子"难题。

针对这一挑战，荷兰代尔夫特理工大学联合行业团队在LTT风洞中开展了系统性实验。研究选取X-35-02常规翼型及其平背改型X-FB-35-10（尾缘厚度10%）为对象，在雷诺数Re=1×10⁶、减缩频率k=0.032-0.096范围内，通过表面压力测量和流动可视化技术，首次揭示了涡流发生器（VGs）对厚翼型动态失速的调控机制。

研究采用多通道压力扫描系统（300Hz采样率）和相位校正技术，结合动态俯仰机构（1-3Hz正弦振荡）模拟实际工况。关键实验设计包括：对比自由转捩与强制转捩（前缘5%-10%处设置锯齿带）条件；测试VGs在20%-40%弦长位置的布置效果；分析线性段（α_m=6°）、预失速（α_m=STL-2°）及深失速（α_m=STL+5°）区域的动态响应。

3.1 稳态特性
平背翼型展现出显著优势：在强制转捩条件下，X-FB-35-10的最大升力系数恢复至自由转捩水平，而常规翼型X-35-02则出现严重性能退化（失速角从16°骤降至5°）。压力分布显示平背设计通过降低吸力面压力梯度，有效抑制了分离泡扩展。VGs的引入使两种翼型在强制转捩时最大升力提升30%以上，但平背翼型的阻力几乎不受VGs影响，这与其较高的型阻特性有关。

3.2 动态失速机制
动态测试揭示了三类典型行为：在附着流区（α_m=10°），平背翼型因压力梯度缓和表现出更稳定的"8字形"迟滞环；近失速工况（α_m=STL-2°）下，VGs使常规翼型的动态失速角推迟4°，但导致平背翼型出现50%的升力超调；深失速时（α_m=STL+5°），平背翼型的尾缘涡与分离泡耦合形成多重涡系，产生显著的分叉流动现象。值得注意的是，提高减缩频率至k=0.096可使动态失速角后移6°，验证了非定常效应的重要性。

4. 结论与意义
该研究首次建立了厚翼型动态失速与VGs参数的定量关系：①VGs通过增强边界层能量交换，能有效抑制上冲程阶段的流动分离，但会加剧平背翼型的动态载荷波动；②减缩频率k>0.05时，动态失速延迟效应显著，这为风力机控制策略制定提供了关键阈值；③平背翼型的动态失速特性呈现"高超调-缓恢复"特征，与常规翼型的"骤降-迟滞"模式形成鲜明对比。

这些发现对风电产业具有双重意义：一方面证实VGs可作为厚翼型动态失速的主动控制手段，通过优化布置位置（建议30%弦长）能提升发电效率10%以上；另一方面警示平背翼型在极端湍流下的潜在风险，为新一代自适应叶片设计提供了重要边界条件。该成果被可再生能源领域顶级期刊《Renewable Energy》收录，为全球大型风电装备的可靠性提升奠定了实验基础。