風力機葉片翼型改進方法的研究

劉雄飛 ，汪建文 ，代元軍，苗 磊

(1.中國礦業大學銀川學院，寧夏銀川 750011；2.內蒙古工業大學能源動力學院，內蒙古呼和浩特 010051；3.內蒙古可再生能源實驗室，內蒙古呼和浩特 010051；4.新疆工業高等?？茖W校，新疆烏魯木齊 830091)

0 前言

風力機葉片氣動性能的優劣，影響風能轉換效率。葉片的氣動性能是由其截面翼型的氣動性能決定的。目前，風力機專用翼型具有最大相對厚度較小，后緣部分較薄的特點。課題組以最大相對厚度為8.56% 的某新翼型為研究對象，將該翼型的風力機與最大相對厚度為15% 的某傳統翼型風力機進行了功率特性和結構動態特性的對比，發現最大相對厚度較小的新翼型風力機氣動特性明顯優于最大相對厚度較大的傳統翼型風力機，但其結構動態特性卻稍遜色于傳統翼型風力機。因此，本文將在保證該新翼型氣動性能的基礎上，基于數值計算的方法，對其后緣部分進行適當的加厚處理，以進一步改善該翼型風輪的結構動態特性，為翼型的進一步優化設計和葉片的實際加工提供參考。

1 新翼型的數值計算

1.1 模型的建立與網格的劃分

采用FLUENT 軟件的前處理軟件GAMBIT 對某新翼型進行幾何建模，幾何計算區域整體為C 形網格。計算過程中，采用了區域加密的方法對翼型周圍流場網格進一步加密，如圖1為某新翼型計算網格圖。計算域的邊界包括翼型固壁、速度入口、自由出流出口、Interior 以及固壁邊界。所采用的邊界條件為：固壁表面為無滑移條件、進口、出口和Interior 面由特征相容條件確定、計算邊界由插值確定。采用二維穩態分離解法的隱式解法,空間離散格式采用二階迎風格式,壓力-速度耦合采用SIMPLE 解法。

圖1 某新翼型計算網絡局部圖Fig.1 Grid detail near the dedicated airfoil

1.2 翼型上下表面切應力的計算

1.2.1 數學模型

實際流體存在粘性，當流體繞過翼型表面時，會對翼型表面產生切應力的作用。粘性切應力存在于邊界層內，假設在整個繞流翼面上沒有發生邊界層分離，繞流體外的粘性流場幾乎與勢流場一樣，不同之處是前者的物面上有一層切應力場，而后者沒有。假設物面上的粘性切應力為，在x 方向的投影分量沿物面積分得到的阻力稱為摩擦阻力FDf，由該值或x 方向的切應力來判別邊界層的分離與否。

式中i 為x 軸向單位矢量。

1.2.2 計算結果分析

邊界層分離的根本原因是流體粘性。流體流過翼型，前后壓強的不對稱分布形成壓差阻力。在一確定的繞流場中，引起繞流體后部邊界層分離的直接原因是存在逆壓梯度，而決定逆壓梯度大小的唯一因素是物體的形狀，所以為了避免或者延遲邊界層的分離，必須對翼型形狀進行改進。

2 改進前后翼型數值計算的對比

2.1 升阻力系數的對比

圖3 為翼型改進前后升阻比曲線的對比圖，當攻角小于6°時，改進前后升阻比基本重合，當攻角在6°～10°范圍內，修改后翼型的升阻比略低于原翼型，當攻角大于10°時，改進前后曲線又重合。說明，在整個攻角范圍內，翼型改進前后，升阻比變化不大，為滿足工藝需求，在翼型后緣附近，對翼型適當加厚是可行的。

圖3 修改前后翼型氣動計算結果對比Fig.3 Aerodynamic results of modified and premodified airfoils

2.2 改進后翼型面x 方向切應力變化

前面對原翼型x 方向切應力變化進行了研究，發現了邊界層分離的位置，該位置在以翼型前緣點為基點的弦線方向28.4 單位處。在保證計算條件不變的基礎上，對翼型進行改進，改進前后翼型的壓力面上x 方向切應力在整個弦線方向上均大于0，所以在壓力面上未發生邊界層分離現象，改進后翼型的吸力面在后緣點x 方向切應力約等于0，也就是說在翼型后緣點附近才開始發生邊界層分離現象，修改后的翼型較修改前邊界層分離點延后了，從原來的28.4 單位位置處延后到了43.8 單位處（也就是后緣點的位置），達到了翼型改進的目的。

3 結語

基于邊界層理論，采用FLUENT 軟件計算了該翼型吸力面和壓力面上沿來流x 方向的切應力，據此找到了吸力面邊界層分離點，以此點開始對翼型吸力面沿后緣點進行適當加厚，并對修改前后的翼型進行了氣動特性對比分析，得出：翼型修改前后壓力面均不發生邊界層分離現象，修改后的翼型較修改前邊界層分離點延后了，從原來的28.4 單位位置處延后到了43.8 單位處（也就是后緣點的位置）；從邊界層分離點到翼型后緣點適當加厚翼型，升阻比變化不大。課題組對改進前后翼型的風輪進行了氣動性能測試和結構動態的實驗，發現改進后的風輪氣動性能變化不大，結構動態特性有了明顯改善?？梢?，為滿足工藝需求，在葉片實際加工中，對后緣部分進行適當加厚處理是可行的。

[1]潘藝，周鵬展，王進.風力發電機葉片技術發展概述[J].湖南工業大學學報.2007，21(3):48-51.

[2]胡丹梅,杜朝輝,朱春建.水平軸風力機靜態失速特性[J].太陽能學報,2006,27(3):217-222.

[3]王福軍,計算流體動力學分析CFD 軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社.

[4]袁新,江學忠.翼型大攻角低速分離流動的數值模擬[J].工程熱物理學報,1999,20(2):161-165.

[5]Dovgal AV,KozlovVV,Michalke A.Laminar boundary layer separation:instability and associated phenomena[J].Prog AerospaceSci,1994,30:61-94