水平轴风力机叶片翼型流场的数值模拟

清洁能源与新能源

水平轴风力机叶片翼型流场的数值模拟

闫海津,李佳,胡丹梅

(上海电力学院能源与环境工程学院,上海200090)

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FLUENT对水平轴风力机叶片常用翼型NACA63425流场进行了数值模拟,得出了翼型NA-CA63425在不同来流攻角下的升力系数、阻力系数、升阻比和不同流攻角下的流场流线图和翼型表面的压力分布。根据模拟结果对不同攻角下尾迹漩涡分离流动进行了分析和比较,得出该翼型气动特性随攻角的变化规律。

关键词:翼型;流场;尾迹分离;数值模拟

中图分类号:T K83 文献标志码:B 文章编号:1005-7439(2010)02-0081-04

Numerical Simulation on the Airfoil Flow Field of Horizontal Wind Turbine Blades

YAN Ha-i jin,LI-Jia,HU Dan-mei

(Scho ol of T hermal power&Environmental Engineer ing,Shanghai U niv ersity of Electr ic Po wer Shang hai200090,China)

Abstract:T o discuss and analyze the air foil of ho rizo ntal wind tur bine blades mor e dir ect v iew ing and viv id,the airfo il N ACA63425used widely in the hor izontal w ind tur bine blades is numerically investigated by the Co mputatio na l F luid Dy namics softw are.T he co ef ficient s of lift and drag as well as the pr essure and velo city distr ibut ion are calculated in different angle of flow at tack fo r air foil N A CA63425.A nalysis and co mpar ison the vor tex separat ion flo w under the different ang le of flow attack,which wo rks o ut the aero dy namics cha racterist ics o f the airfo il N A CA63425.

Keywords:a irfo il;flow;vo rtex separ ation;numerical simulation

水平轴风力机运行时,如果翼型来流的攻角较大,绕翼型的流动边界层就会严重分离,因此准确获得翼型的气动特性对于风力机叶片设计非常重要,但是这种复杂的分离流动现象采用试验的方法测量非常困难,而且大量的试验将使翼型的设计周期延长和成本增加。采用CFD计算流体力学数值模拟替代试验测定工作确定翼型的气动特性,可以缩短设计周期和降低设计成本,已经在实际工程中得到了广泛的应用。NACA634系列翼型是一种总体性能表现良好的翼型,在各种水平轴风力机上得到了广泛的应用,本文将采用CFD软件FLUENT对该系列翼型中的NA CA63425进行数值模拟[2-4],

基金项目:国家自然科学基金项目50706025;上海市教育委员会科研项目07ZZ144;上海市地方院校能力建设项目0816*******资助得出翼型在不同攻角下的压力分布、升力系数、阻力系数及升阻比,分析翼型的分离流动情况。

1 风力机叶片的数值模拟

1.1 基本方程

风力机叶片的运转速度不大,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[3]。

二维连续性方程:

p

t+

( u x)

x+

( u y)

y=0

二维不可压缩N-S方程:

( u x)

t+u x

( u x)

x+u y

( u y)

y=

-

p

x+

2 x

x2+

2u y

y2

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第31卷第2期2010年4月

能源技术

ENERGY TECH NOLOGY

V ol.31 N o.2

A pr. 2010

( u y)

t+u x ( u y)

x+u y

( u y)

y=

- p

y+

2 y

x2+

2u y

y2

式中: 为空气密度; 为空气的粘性系数。

1.2 网格划分

由于所采用翼型的几何形状并不十分复杂,考虑到数值求解效率等因素,本文采用了C型网格。为了减少计算域外的边界对计算过程的影响,外边界长度分别取翼型弦长和最大厚度10倍左右的距离。为了能够得出更加准确的结果,网格在翼型表面采取了网格局部加密方法[1],网格总数达6万多,其中翼型表面分布节点160个。网格分布见图1。

图1 网格分布图

1.3 定解条件和边界条件

采用分离式求解器进行求解,隐式算法。模拟计算假定流场中只存在空气单相流动,不考虑风沙、水滴等多相流的情况;空气密度和空气动力粘度依据模型提供的常规值并且保持为常数。因为气流密度小计算中可以不考虑重力的影响。在求解过程中可以假定所有过程都是绝热过程,即不考虑热传导与太阳辐射。本文的模拟选用RNG k- 两方程湍流模型,该湍流模型能够反映各向异性和平均涡量对流动的影响,其中的湍流常数直接由重整化群理论导出并且在模型中通过一个修正项记入了平均应变率对湍流耗散率的影响,具有较高的精度和可信度[2]。方程中压力--速度耦合采用SIMPLE算法即求解压力耦合方程组的半隐式方法,这也是目前工程上应用最为广泛的流场计算方法,主要用于求解不可压缩流场的数值方法,这种方法的核心是采用 猜测-修正 的过程,在交错网格的基础上来计算压力场,从而达到求解动量方程(N av ier-Sto kes方程)的目的[2]。方程中的动量、湍流动能均采用二阶迎风格式处理。

边界条件包括进出口边界和壁面边界:设定进口边界为速度进口边界条件,速度为无穷远处的来流风速;考虑到计算区域相对弦长较大,流动在出口处已经得到了充分的发展

,所以选用自由出流为出口边界条件;翼型表面为无滑移固壁边界。

2

计算结果与分析

2.1 升力系数、阻力系数及升阻比

对NACA63425翼型流场在来流攻角为0 至30 范围下的流动情况进行的数值模拟,取来流的速度为风力机在额定工作状态下的风速,12m/s。利用数值计算得到的翼型升力系数、阻力系数和升阻比随来流攻角的变化结果见图2-图4。

图2 升力系数随来流攻角的变化

图3 阻力系数随来流攻角的变化

从图中可以看到:当攻角小于12 时,翼型的升力系数和阻力系数都随着攻角的增大而增加;攻角在12 左右时,翼型的升力系数达到最大;当攻角大于12 后,翼型的阻力系数继续增加,但是升力系数开始下降,不过攻角增加到25 后升力系数又开始上升。这是因为随着攻角的增加,气流在翼型表面上的分离加剧,导致尾迹区域形成漩涡,翼型上下面压力差和升力减小,风机进入了失速状态。根据这些模拟计算结果可以看到,翼型NACA63425的失速攻角应该在12 附近。在实际中,风力机叶片一旦出现失速现象,风力机就会产生剧烈振动和运行

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