圖2-12 一種凹凸翼型及標(biāo)準(zhǔn)翼型的CFD分析結(jié)果（來自：Fish，2006）
3 主動(dòng)控制技術(shù)
風(fēng)機(jī)主動(dòng)氣動(dòng)控制主要是通過對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、葉片入流角及葉片（翼型）氣動(dòng)特性等因素的主控控制，實(shí)現(xiàn)控制整機(jī)載荷及氣動(dòng)性能的目的。現(xiàn)代風(fēng)機(jī)中應(yīng)用最廣泛的主控氣動(dòng)控制方法是主動(dòng)偏航和變槳，他們通過對(duì)外置傳感器或內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)的分析調(diào)整偏航和變槳角度從而控制流經(jīng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、風(fēng)向和入流角。本文主要介紹葉片（翼型）氣動(dòng)特性的主動(dòng)控制技術(shù)，目前國內(nèi)外機(jī)構(gòu)研究的這方面技術(shù)有很多，大體可分為通過改變剖面形狀和通過表面吹/吸氣的方式進(jìn)行氣動(dòng)特性的控制。
3.1 改變剖面形狀
在飛機(jī)機(jī)翼中，通過后緣襟翼的收放來增大或減小翼型中弧線弧度，可以影響翼型的升力曲線。NREL、SANDIA、Vestas和DTU等國外研究機(jī)構(gòu)對(duì)襟翼在葉片中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。Vestas與DTU一起在其V27機(jī)組13m長的葉片上安裝了0.7m長的后緣襟翼，通過在試驗(yàn)風(fēng)場的運(yùn)行測試，可降低葉根部揮舞彎矩14%。圖3-1為SANDIA實(shí)驗(yàn)室研究的一種帶后緣襟翼控制葉片的試驗(yàn)機(jī)組。然而這種傳統(tǒng)的襟翼機(jī)構(gòu)存在一些制約其應(yīng)該到風(fēng)機(jī)葉片的因素，其中最主要的一點(diǎn)是葉片在運(yùn)行過程中揮舞方向的變形很大，而連接襟翼與葉片主體的鉸鏈系統(tǒng)很難與其協(xié)調(diào)，另外復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也給制造和維護(hù)帶來不便。
Dan Gurney在1960年代提出了一種簡易Gurney襟翼，它是由高度為弦長1%-2%的平板垂直于弦線安裝在翼型壓力面后緣附近，在合適的尺寸和安裝位置下能達(dá)到傳統(tǒng)復(fù)雜機(jī)構(gòu)的襟翼一樣的增升效果。Van Dam基于這種Gurney襟翼研究了一種可主動(dòng)平移的后緣小板結(jié)構(gòu)，這種小板分別安裝于翼型上下翼面，可以根據(jù)不同工況需要調(diào)節(jié)小板的平移量影響翼型氣動(dòng)特性。Van Dam等人通過CFD計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對(duì)這套系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，并用氣彈分析工具分析了它能顯著降低葉片疲勞載荷。這種小板結(jié)構(gòu)簡單且在葉片展向分散安裝，因此有實(shí)際應(yīng)用在葉片上的可能，圖3-2為這種后緣小板結(jié)構(gòu)的示意圖。
Risoe研究了一種可變形后緣的翼型，它的后緣處有一種壓電材料制作的小平板與主體相連，變形響應(yīng)及時(shí)且不受葉片展向長度的限制。通過對(duì)VestasV66機(jī)組數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在33m的葉片上使用7m長的該種后緣結(jié)構(gòu)，可以在10%湍流強(qiáng)度下減小揮舞彎矩60%。DUWIND也對(duì)安裝了這種可變形后緣平板的縮比葉片模型進(jìn)行了風(fēng)洞測試，發(fā)現(xiàn)可降低葉根應(yīng)變60-95%。圖3-3是展示了美國FlexSys公司開發(fā)了另一種后緣部分可整體連續(xù)變形的自適應(yīng)柔性翼型，他的后緣變形范圍可達(dá)±10°，目前已經(jīng)應(yīng)用到了高科技飛機(jī)中，具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)尚未公開。
圖3-1一種帶后緣襟翼的葉片
圖3-2 Van Dam研究的一種主動(dòng)氣流控制的后緣小板結(jié)構(gòu)
圖3-3 Flexsys公司研究的一種后緣連續(xù)變形翼型
3.2 表面吹/吸氣流
翼型表面吹/吸氣流技術(shù)是指通過對(duì)翼型邊界層中吹入高速氣流或吸走低速氣流的方式重新為邊界層附能，從而延遲流動(dòng)分離的技術(shù)。盡管該技術(shù)在航空領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用，但在風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用受到很多制約。其中之一是這種傳統(tǒng)的吹起或吸氣機(jī)構(gòu)很難在葉片內(nèi)部安裝，另一方面吹氣或吸氣系統(tǒng)的工作易受到風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境如沙塵、冰凍的影響。
在傳統(tǒng)的邊界層吹/吸氣流技術(shù)基礎(chǔ)上，研究人員相繼提出了等離子體激勵(lì)器、環(huán)量控制翼型、合成射流等邊界層流動(dòng)控制技術(shù)。這一類技術(shù)的目標(biāo)均是改變邊界層速度型從而延遲失速，圖3-4為一種等離子體激勵(lì)技術(shù)對(duì)不同風(fēng)速下邊界層速度型的影響。
圖3-4 等離子體激勵(lì)技術(shù)對(duì)不同風(fēng)速下邊界層速度型的影響（來自：Moreau，2007）
4 結(jié)語
通過對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)增加風(fēng)機(jī)發(fā)電效率，降低陣風(fēng)等惡劣工況下對(duì)葉片的動(dòng)態(tài)載荷，增加葉片生命周期。葉片的氣動(dòng)控制技術(shù)分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩類，目前已經(jīng)有很多的被動(dòng)控制技術(shù)在實(shí)際葉片中得到了應(yīng)用并證明了它們對(duì)葉片氣動(dòng)特性的有效控制，比如彎扭耦合設(shè)計(jì)的葉片、渦流發(fā)生器、擾流器、翼刀、葉尖小翼和鋸齒后緣等的應(yīng)用。越來越多國內(nèi)外學(xué)者開始研究了很多主動(dòng)控制技術(shù)，這些技術(shù)比被動(dòng)控制技術(shù)對(duì)流動(dòng)的控制更直接有效也更加靈活，然而受制于成本、安裝及維護(hù)等方面的限制，尚未能得到應(yīng)廣泛用，這將是今后的重點(diǎn)發(fā)展方向。
