風力機氣動性能分析虛擬仿真實驗平臺設計與實現

付士鳳 楊華 李迺璐 朱衛軍

揚州大學電氣與能源動力工程學院 江蘇揚州 225127

風能開發利用充分響應國家碳中和的急迫需求，風力機氣動性能研究為實現風能高效捕獲提供技術支撐，開展風力機氣動性能實驗教學，對于跨越學識基礎到工程模式之間的鴻溝、培養新能源專業的應用型人才具有重要意義。目前，新能源科學與工程專業發展對風力機氣動特性的實驗教學需求日益迫切，然而由于資金、技術和場地等多方面制約，許多高校無法進行風力機氣動性能實驗教學。因此，一個同時滿足實驗教學和線上教學的風力機氣動性能分析虛擬仿真實驗平臺亟須設計開發。

當前，關于虛擬仿真實驗平臺設計實現，部分學者借助LabVIEW平臺進行拓展開發。LabVIEW平臺編程直觀簡潔，但是運行期間內存不足現象時有發生。隨著網絡虛擬實驗平臺的發展，Unity 3D平臺以其內存充足、通信良好及虛擬場景逼真等優點，逐漸被學者所青睞。基于Unity 3D所開發的虛擬仿真實驗室已經在一系列高校實驗教學環節中成功應用，取得了良好的反饋。筆者結合Unity 3D平臺和3DMax建模軟件，設計開發風力機氣動性能分析虛擬仿真實驗平臺，并依托Web平臺網站HTML5實現人機交互。為《風力機空氣動力力學》《風力發電原理》等新能源專業核心課程氣動性能實驗教學提供有利條件。教學環節中，學生用戶置身于逼真的實驗場景之中，靈活學習，互動充分，興趣十足，提高了動手實踐和自主設計能力。

1 風力機氣動性能原理

大型風力機氣動性能分析虛擬仿真實驗基于原理認知、模型試驗和風洞試驗，遵循從“簡單到復雜”“翼型到風力機”“二維到三維”的認知規律，構建風力機認知模塊、規律探究模塊及實踐應用模塊。通過多層次設計，利用虛擬技術開發，旨在考察風力機相關原理探究、氣動結構設計，總結相關規律。學生通過原理認知熟悉實驗環境和工程環境，了解本虛擬仿真項目中風力機氣動性能影響規律。規律探究模塊中觀察不同結構外形、不同攻角對翼型氣動特性的影響并分析總結規律，在此基礎上研究葉片附加氣動結構優化設計。通過對虛擬仿真項目每個模塊的操作，直觀參與到風力機氣動結構設計與風洞試驗的各個環節，掌握《風力機空氣動力學》《風力發電原理》新能源專業課程的關鍵知識點。

2 實驗研究的實驗框架及內容設計

根據學生認知規律，從原理認知和規律探究不同層面，構建實驗框架和實驗模塊，筆者設計了兩個實驗階段：實驗背景與準備和實驗操作與分析。實驗模塊涵蓋六個部分，其中有實驗背景、實驗須知、風電工程、風力機發電的氣動原理仿真、翼型氣動優化設計和葉片附加結構氣動優化設計。并以此基礎上設計了多項實驗內容，主要有影響因素體驗探究、翼型氣動結構探究、翼型氣動設計與性能探究和格尼襟翼氣動設計探究。實驗框架體系層層遞進，從體驗、設計到實踐來構建了風力機氣動性能分析虛擬仿真實驗系統。

3 虛擬仿真實驗平臺內容實現

3.1 實驗場景漫游

筆者結合Unity 3D和3DMax設計開發了風力機氣動性能分析虛擬仿真實驗平臺，仿真實驗平臺登錄主界面和風洞實驗室場景如圖1所示，學生在虛擬仿真主界面輸入個人信息進行登錄，成功之后出現風洞實驗場景，學生進行場景漫游，讓學生熟悉實驗環境。

圖1 虛擬仿真實驗主界面和風洞實驗室場景(虛擬仿真實驗登錄界面)

正式開始實驗后，學生在風洞實驗室場景下，首先移步至“實驗背景與準備”工作臺，依次進入風力機氣動特性虛擬仿真實驗的實驗背景、實驗目的、實驗流程、實驗設備、視頻、安全規則、預習考核七個環節，如圖2所示。

圖2 實驗背景

3.2 實驗操作與分析階段內容實現

實驗操作與分析階段主要目的是讓學生通過原理認知、規律探究等模塊的實驗操作，以源于風力發電的氣動原理體驗為切入點，通過風力機葉片翼型、附加裝置的氣動優化設計與分析、風力機風洞實驗，開展風力機氣動特性虛擬仿真實驗，掌握風力機氣動性能的影響因素及規律，掌握風力機氣動特性的測量手段和風洞實驗操作，了解三維旋轉風力機的流場變化，熟悉多運行工況下的風力機三維氣動性能。

3.2.1 原理認知操作臺

在風洞實驗室場景下，進入原理認知操作臺，在風速影響界面下，學生通過鼠標拖拽進度條，調節風速大小(0～30m/s)，所給調節范圍包含風力機非工作點。學生觀察風速變化下風力機旋轉狀態和風力發電(房屋照明)變化情況，分析“風速—風功率曲線”實驗結果并探索風力機工作的正常風速范圍，對風力機氣動性能的風速影響因素及規律建立初步認知，如圖3(a)所示。

(a)風速調節實驗操作

(b)葉片尺寸調節實驗結果圖3 風洞實驗室場景原理認知操作臺

風力機氣動性能的影響因素和規律進行認知見圖3(b)，在葉片尺寸影響界面下，學生選擇不同大小的風力機，實現風力機葉片長度調節(33～80m)。觀察葉片尺寸變化下的葉片長度、風輪面積和風功率變化情況，分析葉片尺寸與風功率曲線作用關系。

3.2.2 規律探究操作臺

在風洞實驗室場景下，進入規律探究操作臺，在翼型結構探索認知界面中，如圖4所示。點擊“觀察”和選中高亮的風力機葉片，出現三維葉片結構，學生可以隨意翻動、轉換視角觀察三維風力機葉片。點擊“葉片設計”，出現三維葉片的透視翼型組成，分別點選葉根、葉中段和葉尖三部分，出現對應二維翼型，可隨便翻動進行觀察。點擊“三維葉片觀察完畢”，進入探索認知翼型形態界面，如圖5所示，學生根據畫圈處提示，依次將“前緣、后緣、弦長”等10個翼型幾何參數拖動到翼型結構示意圖的相應位置。

圖4 三維風力機葉片結構觀察

圖5 探索認知葉片翼型的幾何參數

3.2.3 翼型設計與氣動特性研究界面

圖6為翼型設計與氣動特性研究界面，用來探索不同外形翼型的氣動特性、葉片附加氣動結構，如格尼襟翼對翼型氣動特性的影響及規律，掌握基于氣動壓力分布特性、氣動升力系數、阻力系數和力矩系數的葉片氣動特性分析方法，掌握氣動優化設計方法，培養學生氣動特性分析能力和氣動優化設計能力。

圖6 翼型設計與氣動特性研究界面

結語

本文結合Unity 3D和3DMax軟件設計開發的風力機氣動性能分析虛擬仿真實驗平臺，通過構建實驗模塊，進行了風力機發電的氣動原理感知仿真、翼型氣動優化設計和葉片附加結構氣動優化設計實驗研究。得到該平臺具有良好的人機交互性能和創新性，在強化學生對翼型氣動特性理解、經濟性、線上教學方面具有明顯優勢，提高了風力機空氣動力學實驗教學質量。通過選擇對不同翼型的氣動特性進行優化設計分析，觀察不同結構外形、不同攻角對翼型氣動特性的影響并分析總結規律，加深了學生對翼型氣動特性的理解，為新能源專業核心課程“風力機空氣動力力學”和“風力發電原理”實驗教學創造了不受場地、時間、空間限制的條件，并為高校線上教學提供有力保障。