基于XFOIL的DU型風電翼型氣動特性仿真分析

莫書帆

（大唐河南清潔能源有限責任公司，河南 三門峽 472000）

基于XFOIL的DU型風電翼型氣動特性仿真分析

莫書帆

（大唐河南清潔能源有限責任公司，河南 三門峽 472000）

文章在分析國內(nèi)外風電翼型研究現(xiàn)狀及總結(jié)各種翼型特點的基礎上，利用XFOIL軟件繪制了荷蘭DU93-W-210翼型外形圖，并建立了該翼型的氣動分析數(shù)值模型，計算了該翼型在0～20°攻角下的升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd及力矩系數(shù)Cm等翼型氣動參數(shù)，并繪制該翼型的升力、阻力系數(shù)曲線及力矩系數(shù)曲線。文章將得到的計算結(jié)果與風洞試驗結(jié)果進行了比較，結(jié)果表明，攻角在0～10°時，XFOIL的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)大體趨于一致，特別是對Cl的計算擬合度很好，誤差在3%以內(nèi)。當攻角增大到10°后，翼型進入失速發(fā)展區(qū)，計算結(jié)果開始產(chǎn)生較大誤差。所以，在使用XFOIL軟件對DU93-W-210翼型進行計算的時候，可以明顯觀察到失速點在攻角為10°左右的位置。根據(jù)實驗結(jié)果，在當前運行環(huán)境下，建議應用該翼型的風力機在不超過10°攻角的范圍內(nèi)運行。

風電翼型；XFOIL；氣動特性；風洞試驗

人類的生存和發(fā)展離不開能源，能源問題與人類的歷史演進息息相關(guān)。人類無限制地燃燒煤、石油、天然氣等燃料，是產(chǎn)生溫室效應及污染物排放的主要因素，以至于全球性的能源危機加劇并且全球環(huán)境日益惡化。為了解決化石能源帶來的環(huán)境問題與實現(xiàn)人類未來社會的可持續(xù)發(fā)展，必須大力發(fā)展新型能源。我國地域遼闊，風力資源豐富，風力發(fā)展技術(shù)日趨成熟，并且具備了一定的規(guī)模開發(fā)條件，無疑風力發(fā)電在我國有著很大的發(fā)展空間，開發(fā)利用風力資源對于緩解能源短缺、保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義，因此也受到了世界各國的廣泛關(guān)注。

翼型的氣動特性一直是風力機性能的核心問題，當前世界各國專家已意識到這一點，開始著手對風力機葉片的翼型氣動特性進行建模與仿真分析。研究葉片主要是對葉片翼型的幾何形狀進行分析并設計出最合適的幾何外形，使風力機組葉片的氣動效率達到最佳狀態(tài)。通常在風洞實驗室對風力機翼型進行模擬，得出氣動特性數(shù)據(jù)，其具有較為突出的優(yōu)點，如能較準確控制實驗條件，操作方便，實驗結(jié)果精確度較高等，但其缺點不容忽視，即風洞實驗成本高，實驗周期長、靈活性能差以及易產(chǎn)生縮尺效應等。

XFOIL作為一個為設計和分析亞音速飛機獨立翼型編寫的互動式程序。它由執(zhí)行各種函數(shù)的一系列菜單操作程序組成。在初步設計和定性分析階段，XFOIL程度是一個有力的工具。基于XFOIL的數(shù)值模擬與直接的風洞實驗相比較，有它的優(yōu)越性：①可以真實地表現(xiàn)風環(huán)境的能力，將風洞中的風環(huán)境狀態(tài)進行仿真和模擬；②可以構(gòu)建原型尺度的計算模型，避免了風洞實驗只能進行縮尺實驗的不足。

本課題主要是基于XFOIL軟件平臺對DU型風電翼型進行氣動特性仿真分析，對風力機專用翼型氣動特性的優(yōu)化設計進行初步的分析，為我國研究出更有利用價值的風力機翼型打下基礎。

1 翼型氣動特性的數(shù)值模擬

目前風力機翼型氣動特性的主要評估手段是風洞試驗和數(shù)值模擬。風洞試驗耗時長、成本高，而數(shù)值模擬已成為重要途經(jīng)和發(fā)展趨勢。風電翼型的氣動特性是風力發(fā)電機組風能利用效率設計和應用的基礎。風力機葉片的氣動特性很大程度上取決于葉片的翼剖面形狀及其相對位置，這也就是說，研究葉片性能的關(guān)鍵在于翼剖面的氣動特性分析。

在初步設計和定性分析階段，XFOIL程度是一個有力的工具，小攻角下對于翼型升力的精確預測可采用CFD軟件的RANS與適當?shù)耐牧髂Ｐ头椒ǎ鴮τ诖蠊ソ鞘偾闆r下升阻比要借助于DES等先進流動模擬方法，才能較準確地預測。采用XFOIL軟件對風力機翼型的氣動特性進行研究，通過比較計算實例與實驗結(jié)果，在較大攻角范圍內(nèi)均可取得較接近的結(jié)果，這足以說明數(shù)值模擬方法對于分析風力機翼型氣動特性來說是可行的。

2 基于XFOIL軟件的DU翼型建模

文章以DU93-W-210翼型為對象，用XFOIL計算結(jié)果與文獻數(shù)據(jù)進行對比，并進一步研究影響風力機翼型氣動特性的因素。

進入XFOIL操作環(huán)境后，首先導入要分析的翼型對應的坐標數(shù)據(jù)文件，該坐標必須要從翼型后緣點（1，0）開始，以順時針方向經(jīng)過翼型，取若干個點，最后又回到后緣點（1，0）。然后選擇要進行粘性分析還是無粘性分析。在無粘性分析中，要輸入來流的攻角或攻角范圍；在粘性分析中，除攻角條件外還應該輸入雷諾數(shù)和馬赫數(shù)，計算過程才能進行。經(jīng)過XFOIL計算后，輸出的是翼型表面壓力分布圖，另外，通過相關(guān)操作可以以文本文件形式輸出翼型的升力、阻力、力矩等氣動特性參數(shù)。圖1為 DU 93-W-210翼型模型建立。

圖1 DU 93-W-210翼型模型建立

3 結(jié)語

文章通過對DU 93-W-210翼型進行建模與氣動特性分析，得出了翼型升力系數(shù)、阻力系數(shù)、力矩系數(shù)等氣動特性隨攻角變化的規(guī)律，得出的主要結(jié)論及規(guī)律如下：

（1）雷諾數(shù)對翼型氣動特性的影響。隨著雷諾數(shù)的增大，翼型的失速攻角和最大升力系數(shù)也越來越大；隨著雷諾數(shù)的增大，在同一攻角下，翼型DU 93-W-210升力系數(shù)的變化幅度越來越小。在攻角大于0°小于10°范圍內(nèi)，翼型的阻力主要取決于翼型所受的摩擦力，隨著雷諾數(shù)的增大，翼型的層流分離被延遲，摩擦阻力逐漸減小。在攻角大于10°小于20°范圍內(nèi)，隨著雷諾數(shù)增大，同一攻角下，翼型阻力系數(shù)越來越低。隨著雷諾數(shù)變化，曲線趨于一致，翼型的力矩系數(shù)變化較小。

（2）翼型的升阻力特性和力矩系數(shù)特性。隨著攻角增大，升力系數(shù)先增大后減少，在攻角大于0°小于10°范圍內(nèi)，實驗所獲得升阻力系數(shù)與XFOIL得出的結(jié)果比較吻合，這說明在低攻角時，XFOIL計算所得的升阻力系數(shù)與實驗值算得上是趨于一致。然而，在攻角大于10°小于20°范圍內(nèi)，XFOIL計算結(jié)果與實驗值有所偏差，具體表現(xiàn)為XFOIL計算的升力系數(shù)較實驗值偏大，在攻角為20°時，誤差達到14%，而阻力系數(shù)偏小，在攻角為20°時，誤差達到56%。對于力矩系數(shù)，XFOIL計算值偏小，而力矩走向一致，具體表現(xiàn)為先減小后增大最后減小，而最大誤差出現(xiàn)在攻角為18°左右，大約為57%。根據(jù)實驗結(jié)果，可以觀察到，該翼型失速點的位置大約在攻角為10°左右的范圍，在當前實驗條件下，建議應用該翼型的風力機在不超過10°攻角的范圍內(nèi)運行。

［1］徐大平.風力發(fā)電原理［M］.機械工業(yè)出版社，2011.

［2］唐勇.風力機翼型繞流場數(shù)值模擬及氣動特性參數(shù)優(yōu)化［D］.長沙：中南大學，2001.

［3］XFOIL 6.9 User Primer，Mark Drel，Harold Youngren［EB/OL］.http:// web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/xfoil_doc.txt.

［4］徐運鵬.數(shù)值風洞在山地城市規(guī)劃建設中的應用［J］.重慶建筑，2012，（1）：1-2.

［5］黃繼雄.風力機專用新翼型及其氣動特性研究［D］.汕頭：汕頭大學，2001，（5）：19-20.

莫書帆，主要研究方向：風力發(fā)電。