涡流发生器对风力机翼型失速颤振控制的实验研究及其流场机制解析

针对大型风电叶片在复杂环境中易发失速颤振的关键问题，研究人员通过风洞气动弹性试验系统分析了不同布置参数的涡流发生器(VGs)对海上风机翼型失速颤振的控制效果。研究发现VGs可将颤振终止风速最高提升10.76%，并通过影响前缘涡形成显著改变颤振特性，为大型风电叶片设计提供了重要理论支撑。

　　

随着海上陆上风电向着大功率、大尺度方向快速发展，风电叶片长度显著增加。在复杂的海洋和山地环境中运行的大型柔性叶片容易诱发非线性气动-结构失稳问题，其中弹性结构与气动力耦合引发的颤振现象尤为突出。如何保障风机运行稳定性的同时提高发电效率，成为制约风能规模化生产的关键技术瓶颈。

针对这一挑战，研究人员开展了涡流发生器(Vortex Generators, VGs)对风力机翼型失速颤振控制作用的系统性研究。通过建立符合气动弹性相似准则的二维刚性翼段单自由度俯仰振动试验系统，结合同步风压测量技术，揭示了VGs通过影响前缘涡(Leading-Edge Vortex)形成来改变失速颤振特性的内在机制。

研究采用的关键技术包括：1)基于相似准则的二维简化气动弹性试验系统搭建；2)多参数VGs布置方案设计(0.1c-0.3c前缘距离)；3)同步采集振动响应与表面风压数据；4)无量纲化风速(U*)分析框架建立。

【分析结果】

1. 振荡动力学与模式分析
   发现无论是否布置VGs，翼型失速颤振均被限制在有限风速区间，呈现明显稳定边界。颤振起始风速对VGs参数不敏感，而终止风速则高度敏感。

2. 振荡幅值与频率特征
   VGs使颤振幅值最大增加89.2%，频率最大降低13.56%。距前缘越近(0.1c)，幅值增幅越大，频率降幅越显著。

3. 流场发展机制
   通过表面风压反演流场证实，VGs通过增强主流与边界层低能流体的动量交换，改变前缘涡发展过程，从而调控失速颤振特性。

【研究结论】

1. 首次系统验证了VGs对失速颤振的控制效果，发现0.1c前缘布置可使颤振终止风速平均提升10.76%；
2. 揭示了VGs通过影响前缘涡发展来改变颤振特性的物理机制；
3. 建立了VGs参数-颤振特征量化关系，为大型风电叶片设计提供理论依据。

该研究突破性地解决了风电领域长期存在的失速颤振控制难题，论文发表于《Ocean Engineering》。成果不仅为海上/陆上大型风机的安全运行提供了技术保障，其揭示的流场控制机制对航空、建筑等领域的颤振抑制也具有重要借鉴价值。