翼型厚度对风力机叶片翼型气动特性的影响.pdf

2 0 1 1年第 3 9卷第 1 2期 流体机械 5 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 1 1 2 0 0 0 5 0 4 翼型厚度对风力机叶片翼型气动特性的影响 王菲 ， 吕剑虹 ， 王刚 1 ． 东南大学， 江苏南京2 1 0 0 9 6 ； 2 ． 大唐长春第二热电有限责任公司， 吉林长春1 3 2 2 3 1 摘要 建立了预测翼型气动特性的理论模型并进行了数值计算， 研究了翼型厚度对风力机叶片翼型的气动特性影 响， 给出了翼型厚度对翼型的升力系数、 阻力系数 、 升阻比和流场、 压力系数的影响。研究结果表明， 对于同一弯度不同 厚度的 N A C A系列翼型， 在较小攻角时， 较小厚度翼型可获得较大的升阻比， 在大攻角时， 增加厚度翼型可以提高翼型的 升阻比， 扩宽大升阻比范围， 而且较大厚度翼型的分离点前移速度较缓慢， 涡分布范围较小。 关键字 翼型 ； 气动特性； 厚度； 流场 ； 压力系数 中图分类号 T H 4 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 1 ． 1 2 ． 0 0 2 E ffe c t s o f Ai r f o i l Th i c k n e s s o n Ai r f o i l Ae r o d y n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s WANG F e i ，L V J i a n ． h o n g ，WAN G Ga n g 1 ． S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 6 ， C h i n a ； 2 ． D a t a n g C h a n g c h u n S e c o n d T h e r m a l P o w e r C o ． ， L t d ． ， C h a n g c h u n 1 3 2 2 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e t h e o r e t i c a l mo d e l o f p r e d i c t i n g a i rf o i l a e r o d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s w a s e s t a b l i s h e d wh i c h t h e n wa s n u me r i c a l c a l c u l a t e d E f f e c t s o f a i r f o i l t h i c k n e s s o n a i r f o i l a e r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s w e t e s t u d i e d ．E f f e c t l a w s o f a i rf o i l t h i c k n e s s o n l i f t c o e f fi c i e n t ，d r a g c o e f f i c i e n t ，l i ftd r a g r a t i o a n d f l o w fi e l d a r o u n d a i rf o i l ，p r e s s u r e c o e ffi c i e n t w e r e g i v e n ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t ，t h e e f f e c t o f a i rfo i l t h i c k n e s s i s o b v i o u s t o t h e a e r o d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s ．A t s ma l l a n g l e o f a t t a c k r a n g e， t h e a i rf o i l o f s ma l l e r t h i c k - n e s s l e a d s t o t h e l a r g e r l i ftd r a g r a t i o ．At l a r g e r a n g l e o f a t t a c k r a n g e ，i n c r e a s i n g a i rf o i l t h i c k n e s s c a n i mp r o v e l i ft d r a g r a t i o a n d e x t e n d l a r g e l i ft d r a g r a t i o r a n g e ．A l s o t h e s e p a r a t i o n p o i n t of t h i c k e r a i rf o i l mo v e s f o r w a r d s l o w e r a n d t h e r a n g e of v o e x d i s t rib u t i o n i S s ma l l e r ． Ke y wo r d s a i rf o i l ；a e r o d y n a mi c c h ara c t e ri s t i c s ；t h i c k n e s s ；fl o w f i e l d ；p r e s s u r e c o e ffi c i e n t 目前 ， 开发利用清洁可再生能源成为世界各 国解决 13益增长的能耗需求和环境污染问题 的重 要途径 。作为可再生能源的典 型代表 ， 风能具有 储量巨大 、 分布广泛以及清洁无污染等独特优点 。 风能的主要利用形式是利用风力机发 电。风力机 的核心部件是风轮 ， 风轮 的叶片技术直接影响到 风力机的能源利用率。因而 ， 风力机叶片翼型气 动特性研究 已经成为风力发电技术的一个重要课 题 ， 国内外研究机构对此 已进行 了大量 的理论和 实验研究并取得了一定的研究进展。 尽管 目前在风力机叶片翼型气动特性方面已 开展了一定的研究 ， 但是由于过程的复杂性 ， 很多 问题却仍不够明了， 尤其是翼型几何结构对气动 特性的影响研究仍然较为缺乏。为此， 建立了预 收稿 13 期 2 0 1 1 0 50 9 修稿 13期 2 0 1 1 0 6 2 7 测翼型气动特性的理论模型并进行了数值计算， 研究了翼型厚度对翼型气动特性的影响。 1 数值模型及其验证 1 ． 1数 值 模 型 当气流流经叶片翼型时， 翼型上表面的气流 速度增大， 压力下降， 而下表面压力几乎保持不 变 ， 于是翼型受到了向上的气动力 ， 此气动力可分 解为与气流方向垂直的升力 和与气流方向平行 的阻力 D。 为研究翼型厚度对风力机叶片翼型气动特性 影响， 以气 流流 经 叶 片翼 型 N A C A 4 4 1 2和 N A - C A 4 4 1 8这2 种翼型为例来加以研究。当均匀气 6 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ． 1 2， 2 01 1 流以攻角流经叶片翼型时 ， 在翼型周 围发生绕流 流动 ， 翼型的绕流问题通常为湍流流动。为此 ， 就 需要引人适当的湍流模型来近视模拟翼型周围的 湍流流动。 目前解决实际湍流问题较为可行 的办法是雷 诺平均模式。已有 的研究 表 明， R e a l i z a b l e k一￡ 模型在平均应变率较高的问题 中有较高的计算精 度 ， 基 于此模 型预测 风力机气 动特性 能在很 大 R e y n o ld s 数范 围内与相应 的实验数据 吻合 较 好 J 。为此， 在理想气体、 忽略重力影响、 稳态流 动的假设下， 采用 R e a l iz a b l e k一￡ 湍流方程并结 合连续性方程来模拟在均匀外流作用下翼型的绕 流问题。翼型周围边界条件除出 口外都设为压力 远场边界条件 ， 给定来流静压 、 马赫数 和来 流方 向， 出口边界条件设为 自由出流边界 ， 翼型表面设 定为固壁绝热无滑移壁面条件 。 采用坐标点输入 的方式对翼 型进行几何 建 模， 来流前计算域选取半径为 1 5 倍弦长的半圆， 翼型后出 口段长度设置为 4 0倍弦长 ， 该长度远远 大于翼型弦长， 进而保证了可 以忽略叶片周 围流 场对翼型绕流流场的影响。采用 c型结 构化网 格， 在翼型前缘和后缘对网格进行局部加密以考 虑在近壁面处复杂的气流流动 ， 并采用不 同的网 格尺寸进行了网格独立性检测， 确保所得的数值 解都是 网格独立的解 。在本文的数值计算 中， 计 算 区域 的网格数约为 5 5 0 0 0 ， 翼 型表面布置 了约 2 5 0个计算节点。图 1 示 出 N A C A 4 4 1 2翼 型网格 的局部放大。 采用控制容积有限差分法和 S I MP L E算法对 翼型流场的控制方程 R e a l i z a b l e k一 ￡湍流方程和 连续性方程进行数值求解。当相邻两个迭代步之 间的流体速度、 k 、 s的残差皆小于 1 0 ～， 且进出口 流体质量守恒， 认为迭代计算收敛。 1 ． 2数值 验证 为验证所建立的翼型气动特性理论预测模型 的准确性， 对N A C A 4 4 “1 2 翼型进行数值模拟计算， 得到翼型升力系数 C 和阻力系数 C 随攻角 的 变化曲线， 并与试验数据进行了比较 J 。数值计 算的条件为 攻角 一 6 。 ～ 2 0 。 ， 风速 1J 1 0 m ／ s ， M a 0 ． 0 2 9 ， R e 6 ． 61 0 ， 比较结果如图 2所 示。可以看出， 数值计算得到了的升力系数和阻 力系数与试验数据的变化趋势一致， 并且两者之 间的吻合较好， 进而证明了本文的数值模型是可 行的。 图 1 N A C A 4 4 1 2翼型网格的局部放大 1 ． 3 0． 5 f o 1 图 2 N A C A 4 4 1 2升力、 阻力系数随攻角的变化 2 计算结果分析与讨论 2 ． 1 翼型的气动特性 一 般而言 ， 翼型气动特性包括升力特性 、 阻力 特性和翼型周围的气流场状况 。翼型的升力特性 通常用翼型升力系数 c 随攻角变化的曲线来 表 示 ， 升力系数定义为 ． C l 赢 式中p 来流密度 来流速度 Js 翼型的弦长 翼型的阻力特征通常用翼 型阻力系数 c 随 攻角变化的曲线来表示 ，阻力系数定义为 ． D 2 翼型周围的流场状况可通过翼型表面压力分 布和翼型表面的流线来加以体现。其中， 翼型表 面压力分布可采用压力系数来描述， 压力系数定 义为 p- - p 3 式中P翼型表面某点的绝对压力 2 0 1 1年第 3 9卷第 1 2期 流体机械 7 P 自由来流的绝对压力 2 ． 2 翼型厚度对气动特性的影响 为分析翼型厚度对翼 型气动特性的影 响， 分 别对具有相同弯度但不同厚度的翼型 N A C A 4 4 1 2 和 N A C A 4 4 1 8这两种翼型的气动特性的进行数值 模拟 。这 2种翼型的主要参数如表 1 所示。 表 1 N A C A 4 4 1 2和 N A C A 4 4 1 8翼型的主要参数 翼型名称 采用弦长 m 相对弯度 ％ 相对厚度 ％ NAC A4 4 1 2 1 4 1 2 NAC A4 4 1 8 1 4 1 8 2 ． 2 ． 1 翼型厚度对升阻力系数的影响 图 3示出 N A C A 4 4 1 2和 N A C A 4 4 1 8这 2种不 同厚度的翼型在攻角 一 6 。 一 2 O 。 时的升力 、 阻 力系数的变化， 图4示出这 2 种翼型的升阻比随 攻角变化。分析图 3和图4可知 ， 当攻角 ≤8 。 时， N A C A 4 4 1 8翼 型 的升力 系 数 和阻 力 系数 与 N A C A 4 4 1 2翼型 相差不大 ， 升组 比较 N A C A 4 4 1 2 低 ； 当 8 。 时， N A C A 4 4 1 8翼型的升力系数 、 升 阻比较 N A C A 4 4 1 2翼 型 高 ， 而 阻力 系 数 比 N A ． C A 4 4 1 2翼型稍低。结合这两幅图可以看出， 翼型 厚度的提高有利于拓宽大升力系数范围和最佳升 阻 比范 围 。 因而 ， 对于 N A C A系列 翼型 ， 在一 定 范围内增加翼型厚度， 在大攻角时， 可以提高翼型 升阻比、 升力系数， 降低阻力系数， 利于提高工作 效率 。 1 ． 6 0． 6 一O ． 4 df 。 图 3 翼型厚度对升力、 阻力系数的影响 2 4 U 9 6 至 至兰至至 至至至 -6 9 2 4 O t 。 图4 翼型厚度对升阻比的影响 图5 不同厚度的翼型周围流场的对比 2 ． 2 ． 2 翼型厚度对流场的影 响 图 5示 出在不 同攻角下 N A C A 4 4 1 2翼 型和 N A C A 4 4 1 8翼型周 围流场 的对 比。由图 5可 知， N A C A 4 4 1 2翼型和 N A C A 4 4 1 8 翼型流动分离现象 均 出现在 l 4 。 攻角 附近。N A C A 4 4 1 2翼 型和 N A C A 4 4 1 8 翼型相比， 前者分离点前移速度较快， 涡 的分布范围较大， 尾流中漩涡的数量较多， 结构比 较复杂 ， 压差阻力增大 ， 翼型阻力也不断增大。 因此， 对于同一弯度不同厚度的 N A C A系列翼 型 ， 随着翼型厚度的增加 ， 分离点前移速度减小 ， 涡 分布范围减小； 厚度相对较小的翼型， 分离点前移 速度较快， 涡分布范围较广， 使得阻力系数增加较 8 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ．1 2， 2 011 快， 这点可以从图 3得到验证 。此外， 随着翼 型厚 度的增加， 翼型上表面速度加大使得摩擦阻力上 升 ， 翼型阻力增加， 使得翼型的最大升阻比较小。 l - 0 ． 5 O． 5 ‘ f a l o 【 一6 。 0 0 ． 5 xf c f b 1 d0 。 O ． 5 x} c f 1 1 O 。 0 图6 翼型表面压力系数分布 2 ． 2 ． 3 翼型厚度对压力系数的影响 翼型上下表面的压力分布会影响翼型的升阻 比大小 ， 翼型压力面的压力越大 ， 吸力面的压力越 小 ， 翼型的升阻比越大。 图 6示 出不 同攻角条件下 N A C A 4 4 1 2翼型和 N A C A 4 4 1 8翼型的表面压力系数分布对 比。由图 6可知 ， 在较大攻角时 ， 厚度越厚 ， 翼型升阻 比越 大 ， 这主要是 由于， 随着翼型厚度 的增加 ， 翼 型前 缘曲率较大 ， 导致 流管在前缘变细 ， 翼型上表面流 线挤拢 ， 流速加大， 表 面静压降低 ， 因为加速减压 运动流体更不容 易分离 ， 使得翼型表面边界层流 体主要为附着流， 流体流动效率高 ， 从而产生较大 的升阻比。 3结语 1 一 6 。 ～ 2 4 。 攻角情况下， 验证数值模拟计 算结果和试验数据吻合的很好， 采用 R e a li z a b l e k一8 湍流模型可以有效预测翼型气动特性。 2 对于同一弯度不 同厚度 的 N A C A系列翼 型 ， 随着翼型厚度的增加 ， 在小攻角下 ， 翼 型升力 系数、 升阻比略有下降， 阻力系数稍有上升， 在大 攻角时 ， 升力系数 、 升 阻比明显增大 ， 阻力系数减 小 ， 最大升阻 比减小 ， 但大 升阻 比对应的范 围增 大， 同时翼型分离点前移速度减缓， 涡分布范围缩 小。 ’ 3 研究 内容弥补了国内在翼 型几何参数对 翼型气动特性影 响方面的不足， 为风力机 叶片翼 型的选择提供一定的参考。 参考文献 [ 1 ] 张宏武，惠增宏， 金承信．二维翼型襟翼增升的数 值模拟[ J ] ．清华大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 ， 2 0 1 1 5 6 5 8 ． [ 2 ] 夏商周．高升力系数翼型的数值模型[ D] ．沈阳 沈阳航空工业学院， 2 0 0 6 ． [ 3 ] S c o t t J S ， Mi c h a e l C R ．H o ri z o n t a l a x i s w i n d t u r b i n e b l a d e a e r o d y n a mi c s i n e x p e r i me n t a n d mo d e l i n g [ J ] ． I EEE T r a ns a c t i o n o n e n e r g y c o n v e r s i o n， 2 0 07， 2 2 1 6 1 - 6 9 ． [ 4 ] B a d r e d d i n e k ，D a v i d A，A l a i n C A．Wi n d t u r b i n e b l a d e p r o fi l e a n a l y s i s c o d e b a s e d o n t h e s i n g u l a r i t i e s m e t h o d [ J ] ．R e n e w a b l e e n e r g y ， 2 0 0 5 ， 3 0 3 3 3 9 3 5 2． 下转第 4页 4 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 9， No ．1 2， 2 01 1 表 1 试验结果 叶片 流量 扬程 功率 效率 角度 Q m ／ h H m P k W 7 7 ％ 1 9 6 6 ． 9 1 4 ． 9 1 9 8 ． 8 9 8 0 ． 7 7 2 l 2 4 ． 2 1 3 ． 6 9 9 6． 4 6 8 2 ． 0 8 2 3 68． 4 l 2． 1 7 91． 72 8 5． 6 2 2。 2 4 76． 9 ，11 ． 3 4 8 9． 8 7 8 5． 0 8 2 5 91 ． 3 1 0． 1 9 8 6． 0 0 8 3． 6 2 2 7 o4． 9 8． 96 8 2． 48 79． 9 8 2 7 89． 4 8． 1 3 7 9． 08 78． 1 0 1 8 6 0． 2 1 4 ． 5 8 9 0． 4 6 8 1 ． 6 3 2 1 2 7 ． 0 1 2 ． 7 2 8 6． 6 3 8 5 ． 0 7 2 2 4 4． 5 1 1． 69 8 3． 68 85． 3 7 0。 2 3 55． 0 1 0． 75 8 0． 41 8 5． 7 6 2 43 7． 7 9． 8 9 78． 1 8 8 3． 9 5 2 5 41 ． 6 8． 68 7 4． 6 7 8 0． 43 2 6 38． 0 7． 55 7 0． 58 76． 8 3 1 8 1 7 ． 9 1 2 ． 5 7 7 5． 7 6 8 2 ． 1 3 2 0 0 6． 4 l1 ． 1 7 71． 9 9 8 4． 77 21 5 0． 3 9． 57 6 7． 1 8 8 3． 40 2。 2 2 6 6． 6 8． 25 6 3． 5 3 8 0． 1 7 2 3 6 1 ． 3 7． 0 9 5 9． 3 6 7 6 ． 8 5 2 4 6 2． 3 5 ． 9 7 5 4 ． 0 7 7 3 ． 9 9 2 5 2 3． 4 5． 03 5 0． 2 7 68． 77 5结语 根据工程需要 ， 设计 了一种 比转数 为 5 6 4 ． 3 的蜗壳式混流泵。该泵叶片可调 ， 并在 叶轮和蜗 壳间设计了一个 固定导叶。 C F D计算表明设计的高比转数蜗壳式混流 泵内部流动均匀。 性能试验表明叶片在 0 。 时泵设计工况下 的 性能完全能够满足设计要求且效率要 比设计要求 高 3 ％左右。研究成果可以在电站改造等领域中 推广。 参考文献 [ 1 ] 刘琦．高比转速} 昆 流泵内部流场数值模拟与性能 预测[ D] ．镇江 江苏大学， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 贾瑞宣， 徐鸿．低比转速混流泵叶片优化设计 [ J ] ． 排灌机械工程学报， 2 0 1 0， 2 8 2 9 8 1 0 2 ． [ 3 ] 李志鹏， 谢静波， 易中强， 等．中低比转数混流泵设 计与试验[ J ] ．农业机械学报， 2 0 0 1 ， 3 2 3 4 8 - 5 0 ． [ 4 ] F e l i x A M u g g l i ， P e t e r H o l b e i n ， P h i l i p p e D u p o n t ．C F D C a l c u l a t i o n o f a Mi x e d F l o w P u mp C h a r a c t e ri s t i c F r o m S h u t o ff t o Ma x i mu m F l o wl J 1 ．J o u r n a l o f F l u i d s E n g i ． n e e r i n g ， 2 0 0 2， 1 2 4 9 7 9 8 8 0 2 ． [ 5 ] K a t s u t o s h i K o b a y a s h i ，Y o s h i m a s a C h i b a ．N u m e ri c a l s i mu l a t i o n o f c a v i t a t i n g f l o w i n mi x e d fl o w p u mp wi t h c l o s e d t y p e i mp e l l e r[ c ] ．P r o c e e d i n g s o f t h e A S M E 2 0 0 9 F l u i d s E n g i n e e rin g Di v i s i o n S u mme r Me e t i n g， A u g u s t 25，2 0 0 9，Va i l ，C o l o r a d o ，US A． [ 6 ] 潘中永， 倪永燕， 袁寿其 ， 等．斜流泵研究进展 [ J ] ． 流体机械， 2 0 0 9， 3 7 9 3 7 - 4 0 ． [ 7 ] 吴建廉．可调导叶式} 昆流泵主要设计要素的确定 [ J ] ．农业机械学报， 1 9 9 2 ， 2 3 1 5 2 5 6 ． [ 8 ] 王春林 ， 郑海霞， 张浩， 等．可调导叶高比转速混流 泵内部流场数值模拟[ J ] ．排灌机械， 2 0 0 9 ， 2 7 1 3 0． 3 4 ． [ 9 ] 白小榜， 沙毅， 李金磊．混流泵速度系数法水力设 计探讨 [ J ] ．水泵技术， 2 0 0 8 ， 5 1 1 1 5 ． [ 1 0 ] D y s o n G， T e i x e i r a J ． I n v e s t i g a t i o n o f c l o s e d v a l v e o p e r a t i o n u s i n g c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c s [ C] ．P r o c e e d i n g s o f t h e AS ME 2 0 0 9 F l u i d s E n g i n e e ri n g Di v i s i o n S u mme r Me e t i n g， Au g u s t 2 - 5， 2 0 0 9，Va i l ，C o l o r a d o，US A． 作 者简 介 谈 明高 1 9 8 0一 ， 男 ， 助理 研 究 员 ， 通讯 地 址 2 1 2 0 1 3江苏镇 江市学府路 3 0 1号 江苏大学流体机械工程技术研 究中心。 上接第 8页 [ 5 ] J u r e c z k o M，P a w l a k M，M e a y k A ．O p t i m i s a t i o n o f w i n d t u r b i n e b l a d e [ J ] ．J o u r n a l o f ma t e ri a l p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ，1 6 7 2 3 4 6 3 47 1 ． [ 6 ] C h a l o t h o rn T h u n t h a e ， T a w i t C h i t s o m b o o n ．O p t i m a l a n g l e o f a t t a c k f o r u n t w i s t e d b l a d e w i n d t u r b i n e [ J ] ．R e - n e wa b l e e n e r gy ， 2 0 0 9， 2 41 2 7 9 1 2 8 4 ． [ 7 ] 江帆， 黄鹏．F l u e n t 高级应用于实例分析[ M] ．北 京 电子工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 作者简介 王菲 1 9 8 9一 ， 女 ， 硕 士研究 生 ， 研 究方 向为风力 机 的气动特性及安全控制 ， 通 讯地址 2 1 0 0 9 6江 苏南京市 玄武 区 东南大学 四睥楼校区能源与环境学院 。