水平轴风力机叶片翼型的气动特性数值模拟.pdf

2 0 1 3 年第 4 1 卷第 3 期 流体机械 2 9 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 3 0 0 2 9 0 5 水平轴风力机叶片翼型的气动特性数值模拟 铁庚， 祁文军 新疆大学， 新疆乌鲁木齐 8 3 0 0 4 7 摘要 为了直观形象地探讨水平轴风力机叶片翼型的气动特性， 利用计算流体力学软件 F L U E N T对水平轴风力机叶 片常用翼型 F F A W32 1 1 ， F F AW33 0 1和 N A C A 6 32 1 5进行了数值模拟， 并与试验数据进行对比和分析， 验证数 值模拟的可靠性。有利于了解风力机翼型的气动性能， 为风力机叶片翼型选型和叶片翼型设计和研发提供重要依据。 关键词 风力发电机； 翼型； 气动性能； 数值模拟 中图分类号 T H 4 4 ； T K 8 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 3 ． 0 3 ． 0 0 7 Nu m e r i c al Si mul a t i o n o n t he Ae r o dy n a m i c Pe r f o r m a n c e o f Ae r o f o i l o f Hor i z o nt a l W i n d Tur bi n e Bl a d e T I E G e n g ， Q I We n J u n X i n j i a n g U n i v e r s i t y ， U r u m q i 8 3 0 0 4 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T o d i s c u s s a n d a n a l y z e t h e a e r o d y n a mi c p e rf o r ma n c e o f a i rfo i l o f h o ri z o n t al wi n d t u r b i n e b l a d e mo r e d i r e c t v i e w i n g a n d v i v i d，t h e s e a i rfo i l F F A W32 1 1 ． F F A W33 0 1 and NAC A 6 321 5 u s e d w i d e l y i n t h e h o riz o n t a l w i n d t u r b i n e b l a d e s i S n u me ric all y i n v e s t i g a t e d b y t h e F L UE NT．Co mp a r i s o n b e t w e e n t h e s i mu l a t e d d a t a a n d t h e e x p e ri me n t d a t a h a s b e e n c a r r i e d o u t i n o r d e r t o v e ri f y t h e f e a s i b i l i t v a n d t h e r e l i a b i l i t y o f a e r o d y n a mi c n u me ri c a l s i mu l a t i o n of wi n d t u r b i n e ．T h e s i mu l a t i o n a n d a n a l y s e s i s h e l p f u l t o u n d e r s t a n d t h e a e r o d y n a mi c p e rf o rm a n c e a n d c h a r a c t e r o f a e r o f o i l of w i n d t u r b i n e ，a n d s u p p l y t e c h n o l o g i c al p a r a me t e r s a n d a d v i c e s f o r t h e d e s i g n a n d r e s e a r c h o f b l a d e a e r o f o i l ． Ke y wo r d s wi n d t u r b i n e ；a e r o f o i l ；a e r o d y n a mi c p e rfo r ma n c e ；n u me ri c al s i mu l a t i o n 1 前言 风力机叶片是发 电机组 的重要部件 ， 叶片翼 型的气动特性是 整个风 电机 组性能 的基 础与核 心 。随着风电行业的迅速发展 ， 对 风力机 叶片的 研究和设计 已是风力发 电技术研究和开发的重要 任务。高升力、 低阻力的翼型一直是翼型设计所 追求的 目标 ， 早期风力机 叶片翼型一般采用航 空 翼型， 最具代表性的传统风力机翼型是 N A C A系 列 ， 但由于航空翼型和风力机翼型在性能要求上 的不同 ， 风能技术发达 国家从 2 0世 纪 8 0年代 中 期开始研究风力机专 用翼 型， 具有代表性 的有美 国的 S E R L系列 、 瑞典的 F F A系列 ， 荷兰 的 D U系 列等。 目前 ， 我国对风力机翼 型的研究还处于初步 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 2 5 修稿 日期 2 0 1 3一O 1一 O 5 基金项目 新疆科技重点专项 2 0 1 1 3 0 1 1 0 阶段 ， 由于商业 因素 ， 国际上在风能技术领先的国 家对翼型的相关资料实行保密。因此 ， 我 国 目前 生产的水平轴风力机 叶片主要依靠 国外 技术 ， 所 以迫切需要 自主改进 、 研发水平轴风力机新翼型 ， 从而推动我 国风力发 电事业的快速发展 。 2基本方程和湍流模型 风力机叶片的旋转速度不大 ， 翼型的绕流可 以看作不可压缩流动。数值计算模型采用二维连 续性方程和二维不可压缩 NS方程 J 。 二维连续性方程 塑 0 1 a a a ， 二维不可压缩 NS 方程 5 0 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 3， 2 01 3 O p u ． O p u ． o p u 一 韭 O x叫 O y 2 1] 2 一 O a p ， t L o a u 2 , o a u 2 , J 1 3 式中P空气密度 “ 空气的粘性系数 SA湍流模型是 由 S p a l a r t和 A l l m a r a s所提 出的模型 ， 解决了一个关于湍 流运动学粘度 的改 良型输运方程， 对 于求解有壁 面影响流动及有逆 压力梯度的边界层 问题有很好 的模拟效果 ， 在透 平机械湍流模拟方面也有较好的结果。 S A模型的输运方程形式如下 a ． O p l t i ’ a 去 c 害 】 p [ 考 】‘ C 翼型弦长 翼型阻力包括摩擦阻力和压差阻力 。在附着 流区， 翼型阻力主要为摩擦阻力 ， 阻力系数随攻角 的增加缓慢增大， 气流发生分离后 ， 翼型阻力主要 为压差 阻力， 阻力系数会 随攻角 的增加 迅速增 大 。 5 ． 2升 力 系数 翼型的升力特征通常用翼型升力系数 C 随 攻角变化的曲线来表示 ， 翼型的升力系数定义为 C f F f ／ 0 ． 5 p C 6 式中 为翼型所受升力 p 气体密度 来流速度 翼型弦长 翼型的升力特性和绕翼型的流动相关 ， 按攻 角大小一般可以划分为附着流区、 失速区和深失 速区 ， 附着流区的攻角范围从 一1 0 。 ～1 0 。 ； 失速区 的攻角范围约从 1 O 。～5 0 。 ； 深失速区的攻角范围 约从 3 0 。一 9 0 。 。 4 4 数值计算 式 中 除近壁面区域外的湍流粘度 G 湍流粘度的增加项 近壁面 阻塞 和粘性阻尼作 用产生 的粘性项 Is 用户 自定义源项 C 娩 常数项 3 翼型的气动性能 当气流流经翼型叶片时， 叶片下面的气流压 力几乎保持不变 ， 叶片上表面气流速度增高 ， 压力 下降， 于是叶片受到了向上的作用力， 可分解为与 气流方 向平行的阻力和与气流方 向垂直的升力。 3 ． 1 阻力 系数 通常用翼型阻力系数 C 随攻角变化的曲线 来表示翼型的阻力特征 ， 也可以用翼型阻力系数 随翼型升力系数变化 的极曲线来表示 ， 翼型的阻 力系数定义为 C d F d ／ 0 ． 5 p c 5 式中 翼型所受升力 p 气体密度 来流速度 4 ． 1 建模和 网格 划分 选取 F F AW52 1 1 。 F F AW55 0 1 ， N A． C A 6 3 2 1 5 5种 常用的风力机翼 型进行气 动性 能的数值模拟计算。将翼型二维数据导人 G a m ． b it 软件中便可绘出翼型模型， 并选择适当的流 体计算区域。如果计算域网格划分过于稀疏， 将不能准确描述流场的特征 ， 计算误 差大 ； 当网 格数 目达到一定 程度 时 ， 已可 以较好 地反 映实 际情况 ， 此时若盲 目地继续增 加网格数 目， 不会 明显提高计算精度， 反而增加 了计算所耗资源， 降低计算速度 ， 由于本文所采用的翼型几何形 状并不复杂 ， 计算 中采用 了 C型结构化 网格 ， 如 图 1 ， 2所示 。 图 1 翼型整体网格 2 0 1 3年第 4 1卷第 3期 流体机械 3 1 图 2 翼型局部 网格 4 ． 2 边界条件设定 在 F l u e n t 中进行二维模型的气动数值模拟时 采用 S I M P L E算法处理速度和压力耦合问题， 变 量采用二阶迎风差分格式进行 离散 ， 残差控制 在 1 0． 4 数量级。流场域 中， 进 口处 给定进 口风速边 界条件 ； 出口处给定压力边界条件 ， 静压力 0 P a ； 翼型表面给定静态无滑移壁面边界， 气动攻角为 一 5 。 ～ 2 0 。 ， 按每隔 1 。 取值， 计算出余弦和正弦， 并 输人边界中。 5 计算结果与分析讨论 5 ． 1 计 算结果 记录并计算各个翼型的升力系数、 阻力系数、 升阻比等数值模拟数据。试验数据 由研究资料 曲 线取点获得 m 。在相 同条件下 3种翼型 数值 模拟数据和试验数据 的对 比如图 3～ 8 。 来流 攻角 。 图3 F F AW32 1 1翼型升力、 阻力系数 来流攻角 o 图 4 F F AW3 2 1 1升阻比系数 来 流攻 角 。 图 5 F F A W33 0 1 翼型升力、 阻力系数 来流攻 角 o 图 6 F F AW33 0 1升阻比系数 来流攻角 。 图 7 N A C A 6 3 2 1 5翼型 升力 、 阻力系数 来流攻 角 。 图8 N A C A 6 3 2 1 5升阻比系数 2 0 1 3年第 4 l卷第 3期 流体机械 3 3 W3 2 1 1 、 F F AW33 0 1 、 N A C A 6 32 1 5 3种 常 用风力机翼型进行了二维气动数值模拟 ， 得出了 翼型的升力系数曲线、 阻力曲线以及升阻比， 并与 试验结果进行了对比分析， 其结果与试验数据有 较高的吻合程度 ， 但也有部分攻角处数值模拟 和 试验数据有较大的误差 ， 可能是网格的划分或湍 流模型在大攻角后缘分离情况下引起的。将数值 模拟结果与试验数据对 比分析可以基本认定本文 的翼型二维气动数值模拟方法和结果是可信的、 可靠的， 计算机数值模拟与试验验证 的有机结合 为风力发电机翼型气动性能的研究提供了重要依 据 ， 也有利于叶片新翼型的研发。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] I ． G NI KO L A0U， E S P OL I T I S， P K C HAVI AROP OU L OS ．Mo d e l i n g t h e flo w A r o u n d Ai r f o i l s E q u i p p e d t h Vo r t e x Ge n e r a t o r s U s i n g a Mo d i fie d 2 D Na v i e rS t o k e s s o l v e r [ J ] ． J o u rna l o f S o l a r E n e r g y E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 5 ， 1 2 7 2 2 3 - 2 3 3 ． 闫海津 ， 李佳， 胡丹梅． 水平轴风力机叶片翼型流场 的数值模拟[ J ] ． 能源技术， 2 0 1 0 ， 3 1 2 8 1 - 8 4 ． 吴小飞 ， 唐胜利， 周文平． 水平轴风力叶片表面积灰 厚对三维气动特性影响的数值模拟[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 1 1 3 2 - 3 7 。 4 4 ． [ 4 ] 张健宇， 李学敏， 陈帆， 等． H型垂直轴风力机翼型 的数值模 拟及优化 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2， 4 0 1 0 3 3 - 4 0． [ 5 ] 刘娇洋 ， 江楠． 钉头管 自支水式换热器的耦合传热 及流场数值模拟研究 [ J ] ． 压力容器 ， 2 0 1 0 ， 2 7 6 2 8 - 3 2， 4 2 ． [ 6 ] 陈丁刚， 屈本宁， 赵燕萍． 一新型立轴风力机直叶片 翼型气动特性数值模拟[ J ] ． 科学技术与程， 2 0 1 1 ， 2 1 1 4 2 3 - 4 2 5 ． [ 7 ] N a t h a n L o g s d o n ．A p r o c e d u r e f o r n u m e ri c a l l y analy - z i n g a i rf o i l s a n d w i n g s e c t i o n s [ D] ． T h e F a c u l t y o f t h e D e p a r t me n t o f M e c h a n i c a l A e r o s p a c e E n gi n e e ri n g U n i v e mi t y o f Mi s s o u ri C o l u mb i a ， 2 0 0 6 ． [ 8 ] 张果宇， 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b ri c a t i o n [ J ] ． Me c h ani s m and M a c h i n e T h e o r y ， 2 0 0 6 ， 4 1 2 4 7 - 2 6 1 ． [ 4 ] D u b o w s k y s ， Mo e n i n g M． A n e x p e ri m e n t al and anal y t i - c al s t u d y o f i mp a c t f o r c e s i n e l a s t i c me c h a n i c a l s y s t e m w i t h c l e a r a n c e s[ J ] ．M e c h a n i s m Ma c h i n e T h e o ry， 1 9 7 8 ， 6 4 8 9 - 9 5 ． [ 5 ] I m e d K h e m i l i ， L 0 m R o m d h a n e ． D y n a mi c analy s i s o f a fl e x i b l e s l i d e rc r a n k m e c h a n i s m w i t h c l e a r anc e [ J ] ． E u rop e an J o u r n al o f M e c h ani c s A ／ S o l i d s ， 2 0 0 8 ， 2 7 8 8 2． 8 98． [ 6 ] F l o r e s P ， A mb r o J ， C l a r o J C ． I n D y n a m i c ana l y s i s fo r p l a n ar m u h i bod y me c h a n i c a l s y s t e m s w i t h r e a l j o i n t s [ C] ． P r o c e e d i n g s o f E C C O MA S The m a t i c C o n f e r e n c e o n Ad v a n c e s i n C o mp u t a t i o n a l Mu l t i b od y Dy n am i c s ． P o r t u g a l L i s b 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