水平轴风力机叶片翼型的气动特性数值模拟

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

中图分类号 ： TH44；TK8 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.03.007Numerical Simulation on the Aerodynamic Performance of Aerofoil of Horizontal W ind Turbine BladeTIE Geng，QI Wen-Jun(Xinjiang University，Urumqi 830047，China)Abstract： To discuss and analyze the aerodynamic performance of airfoil of horizontal wind turbine blade more direct viewingand vivid，these airfoil FFA -W3-21 1.FFA -W3-301 and NACA63-215 used widely in the horizontal wind turbine blades iSnumerically investigated by the FLUENT.Comparison between the simulated data and the experiment data has been carried out inorder to verify the feasibilitv and the reliability of aerodynamic numerical simulation of wind turbine.The simulation and analysesis helpful to understand the aerodynamic perform ance and character of aerofoil of wind turbine，and supply technological parame-ters and advices for the design and research of blade aerofoil。

Key words： wind turbine；aerofoil；aerodynamic performance；numerical simulation1 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-直是翼型设计所追求的目标，早期风力机叶片翼型-般采用航空翼型，最具代表性的传统风力机翼型是 NACA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 20世纪 80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 SERL系列、瑞典的 FFA系列，荷兰的DU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： 2012-04-25 修稿 日期 ： 2013-O1-O5基金项目： 新疆科技重点专项(201130110)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 N-S方程 J。

二维连续性方程：塑 ：0 (1)a a a)，二维不可压缩 N-S方程：50 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，2013O(pu )。

o(pu ) - 韭Ox叫 Oy2 1] (2) -Oap)， tLoa'u2，oau2，J1 (3)式中 P--空气密度--空气的粘性系数S-A湍流模型是由Spalart和 Almaras所提出的模型，解决了-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'lti)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：CfFf/(0.5p 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-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 -10。～10。；失速区的攻角范围约从 1O。～50。；深失速区的攻角范围约从 30。-90。。

(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：CdFd/(0.5p 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 FFA-W5-21 1。FFA-W5-501，NA。

CA63-215 5种常用的风力机翼型进行气动性能的数值模拟计算～翼型二维数据导人Gam。

bit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-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2013年第 41卷第 3期 流 体 机 械 31图 2 翼型局部网格4.2 边界条件设定在Fluent中进行二维模型的气动数值模拟时采用SIMPLE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10.4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 Pa；翼型表面给定静态无滑移壁面边界，气动攻角为- 5。～20。，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 FFA-W3-211翼型升力、阻力系数来流攻角(o)图 4 FFA-W3-211升阻比系数来流攻角(。)图 5 FFA-W3-301翼型升力、阻力系数来流攻角(o)图6 FFA-W3-301升阻比系数来流攻角(。)图 7 NACA63-215翼型 升力、阻力系数来流攻角(。)图8 NACA63-215升阻比系数2013年第 4l卷第 3期 流 体 机 械 33W3-211、FFA-W3-301、NACA63-215 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～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。