风力机翼型的气动模型及数值计算
文章编号:167325196(2010)0320065204
风力机翼型的气动模型及数值计算
李仁年,李银然,王秀勇,绕帅波
(兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050)
摘要:考虑到不同湍流模型和边界层网格对风力机翼型气动性能有着不同的影响,采用4种边界层网格和4种湍
流模型,对DU932W2210翼型的气动性能进行数值计算,将计算结果与实验值进行比较.研究结果表明:在合适的
边界层网格下,DES模型的计算结果最接近实验值,而且该模型对翼型尾流中的旋涡有很强的捕捉能力.
关键词:风力机;翼型;湍流模型;边界层;网格划分
中图分类号:TK83 文献标识码:A
Aerodynamicmodelofairfoilforwindturbineanditsnumericcomputation
LIRen2nian,LIYin2ran,WANGXiu2yong,RAOShuai2bo
(CollegeofEnergyandPowerEngineering,LanzhouUniv.ofTech.,Lanzhou 730050,China)
Abstract:Takingintoaccountoftheeffectofdifferentturbulencemodes,andmeshdivisioninboundary
layerontheaerodynamiccharacteristicsoftheairfoilsforwindturbine,4boundarylayers,4modeswere
employedfornumericevaluationofaerodynamiccharacteristicsofwindturbineairfoilsDU932W2210.The
calculationresultswerecomparedwithexperimentalones.Itwasshownbytheinvestigationresultthat
theresultofcalculationwithDESmodewastheclosesttotheexperimentaloneforanappropriatebounda2
rylayergrid,andithasastrongabilitytocapturethevortexinthewakebehindtheairfoil.
Keywords:windturbine;airfoil;turbulencemode;boundarylayer;meshdivision
由于风力机叶片前缘半径较大,叶片表面边界
层容易发生分离,分离会形成旋涡,而旋涡的运动、
发展和破裂反过来又影响着分离流场[1].因此深刻
认识叶片边界层的流态与准确计算边界层的分离,
对于正确预估叶片升阻力、控制并减小流动分离以
及叶片的优化设计有着重要的意义.
目前,对湍流的数值模拟分为直接数值模拟
(DNS)、大涡数值模拟(LES)和雷诺时均方法
(RANS)3类.其中DNS从流体控制方程出发,可
以模拟湍流流场中各种尺度的脉动,但受计算机条
件所限,目前只用于研究低雷诺数简单湍流物理机
制.LES将湍流流场中大尺度脉动用数值模拟方法
计算,小尺度脉动对大尺度运动的作用做亚格子模
型假设,在以下方面具有其他模型无可比拟的优势:
1)从层流到湍流转捩的预测;2)非定常湍流的预
测;3)高速湍流的预测[2].但实际的工程问题往往
收稿日期:2009211216 基金项目:国家重点基础研究发展973计划项目(2007CB714600) 作者简介:李仁年(19632),男,甘肃民勤人,教授,博导.具有很高的雷诺数和很薄的边界层,边界层内小涡
的尺度往往比边界层的厚度小很多,这使得要完全
采用LES模拟薄边界层内的流动仍然需要很大的
计算机资源,到现在为止还是不太现实[3].RANS在
工程中应用最为广泛,它完全采用湍流模型模拟湍
流流动,只给出湍流流场的统计平均量,可以有效地
模拟附体边界层流动,但对短暂的旋涡脱落和失速
后的流场难以模拟[4].而脱体涡模拟(DES)方法通
过结合RANS和LES各自的优点,可以比较快速
而有效地模拟工程应用中常见的非定常的流动特征
和边界层的分离运动[426].
模拟气流分离的关键是能够准确模拟边界层分
离,这需要布置合理的边界层网格.理论上壁面底层
网格尺寸越小,网格的渐变率越接近于1;网格数越
多,计算精度越高[7],但覃文洁等人提出网格的渐变
率与网格数对计算精度的影响有限,它们的影响是
基于底层网格尺寸的[8].齐学义等人提出采用结构
和非结构化网格相结合的划分方式,可以提高网格
质量和计算精度[9].本文选用Fluent软件,研究适第36卷第3期2010年6月兰 州 理 工 大 学 学 报JournalofLanzhouUniversityofTechnologyVol.36No.3Jun.2010合风力机专用翼型的边界层网格与湍流模型.
1 计算模型
1.1 控制方程与拓扑结构
选取不可压缩的雷诺时均方程为主控方程,不
考虑体积力和外部热源.考虑到DU932W2210翼型
是为了克服气流流过相对厚度较大NACA翼型过
早的发生分离,导致翼型气动性能严重下降而设计
的[10],而且该翼型几何形状简单,生成网格质量较
好;模型计算量小,适于进行大量的数值计算,可以
对网格分布、湍流模型的不同组合进行分析比较;国
外已公布较全的实验数据,这些数据都是在弦长为
0.6m时得到的.为了便于比较,本文取弦长为0.6
m的翼型为研究对象.建立长度为45倍翼型弦长、
宽度为40倍的翼型弦长的二维计算区域,如图1所
示,把该计算域沿翼展方向拉伸1倍翼型弦长就可
得到三维计算域.
图1 二维拓扑结构
Fig.1 Two2dimensionaltopologicalstructure
1.2 网格划分
因为在同一算法下均匀分布的正交计算网格可
以获得最高的计算精度,所以本文利用CAD的表
面构造技术以及多块网格技术生成了高质量、完全
结构化的网格.该方法通过非均匀有理B样条插值
(NURBS)将物理域映射到贴体坐标系下的求解域,
进行流程计算域多块网格的构造与重构,最后生成
的网格为贴体的、正交性很好的网格.由于翼型附近
的流场参数变化梯度比远场的参数变化梯度大得
多,且翼型前后缘的流动情况对翼型扰流数值模拟
的影响很大,因此对翼型附近的网格进行了局部加
密,图2为翼型附近的网格.
为比较翼型附近网格分布对边界层计算的影
响,保持翼型表面周向网格节点不变,改变边界层内
节点的法向分布以及第一层网格的高度,从而改变
网格的纵横比,以确定适合于该翼型的边界层网格,
网格划分方式见表1.流场方向半圆弧bcd上布置
330个节点,直线ab、fg、ed上各布置80个节点.在
三维计算域中,翼展方向上布置60个节点
.图2 翼型计算网格
Fig.2 Three2Dgridforairfoil
表1 边界层网格划分策略
Tab.1 Methodofboundarylayermeshdivision
网格划分策略网格层数第1层高度/mm1
2
3
410
15
22
301.00
0.50
0.10
0.05
1.3 边界条件与离散格式
进口abcde给定为速度进口,来流的湍流度为
1%,湍流扩散长度为0.01m.出口afe为压力出
口,表压力给定为0,湍流度和湍流扩散长度与进口
一样.翼型表面gmhng满足壁面无滑移条件.除在
DES和LES模型中对动量方程的离散采用默认离
散格式(boundedcentraldifferencing)外,其他模型
中对连续方程、动量方程、雷诺时均方程等方程都用
二阶迎风格式来离散,压力速度的耦合采用SIM2
PLEC算法.
2 结果分析
速度由雷诺数或马赫数来确定,雷诺数为3.0×
106、马赫数为0.22,弦长为0.60m.为了跟实验数
据做对比,用Re=ρυc/μ或Ma=υ/a求得进口速
度为76.56m/s.假设流动非定常,设定时间步长为
0.001s,在每个时间步长内迭代20次,利用升力系
数、阻力系数来监测解的收敛性,当升阻力系数稳定
时认为计算收敛.
2.1 边界层的比较计算
以三维直叶片为研究对象,研究不同边界层网
格对翼型气动性能的影响.由图3a可以看出,当攻
角α<7°时,不同边界层网格计算的升力系数无大差
异,且与实验值相当吻合,这说明附体流动对边界层
网格的要求较低.而当攻角α>7°时,第1种网格划
分策略计算所得的升力系数的最大值相对最小,且
远小于实验值,失速提前发生,而第2种划分策略计
算所得的最大升力系数相对最大,且大于实验的最・66・ 兰州理工大学学报 第36卷大值,而且对应攻角也偏大,失速滞后发生,但它对
失速后的流动有较高的模拟精度.这两种策略对失
速攻角的计算有较大的误差.第3种划分策略有最
高的计算精度,第4种划分策略对失速攻角的模拟
精度高于第2种,但对失速后的模拟计算精度跟第
2种相当.
由以上分析可知,当流体处于附体状态时,或翼
型为小攻角时,翼型尾缘处逆压梯度很小,模拟的准
确性对边界层网格的要求较低;随着攻角的增大,翼
型尾缘处的逆压梯度增大,边界层发生分离,此时尾
流中所划的边界层网格仅占尾流区域的很小一部
分,它对尾流流场的捕捉能力减弱,而且旋涡的随机
性也增大了模拟误差,这就导致不同的边界层网格
的计算结果有很大差异.
由图3b分析可知,当攻角α<7°时,第1种划分
策略对阻力系数的计算值小于其他划分策略的计算
值,且远小于实验值,这是因为边界层内分布的网格
点数过少,或没有网格节点,引起严重的数值耗散,
掩盖了真实的物理现象以至于不能正确的描述边界
层内的流动.随着底层网格尺寸的逐渐减小,计算所
得的阻力系数与实验值的偏差也逐渐减小,但小到
一定程度后偏差反而增大,这与文献[8]的观点相
悖.这是因为第1层网格的纵横比过大所产生的数值
(a)升力系数随攻角的变化曲线
(b)阻力系数随时间的变化曲线
图3 翼型升、阻力系数随攻角的变化曲线
Fig.3 Variationofliftcoefficientanddragcoefficientvs
attackangle刚性影响了解的精度.当攻角α>7°时,各种边界层
网格计算所得的阻力系数有很大差异,且与实验值
也有较大偏差,而此时压差阻力起主要作用,第3种
边界层划分策略的计算结果最接近实验值,即第3
种网格划分策略对压差阻力的计算精度较高.这说
明翼型失速后,边界层发生分离,最底层网格尺寸对
压差阻力的计算有较大的影响.
2.2 湍流模型的比较计算
在三维拓扑结构的基础上,研究大涡模拟
LES、雷诺平均方法RANS和脱体涡模拟DES三种
方法在风力机专用翼型数值计算中的应用.由图4a
可以看出,当攻角α<8°时,所有模型对升力系数的
计算结果无大差异且都与实验值很好的吻合,这几
种湍流模型都能很好地计算出翼型失速前的流动特
征,对附体流动有很高的计算精度;当攻角α>8°时,
各种模型计算出的升力系数的变化趋势大概相同且
都与实验值的变化趋势相同,但SSTDES和RSM
计算出的最大升力系数略大且大于实验值,SSTk2
ω和LES模型计算出升力系数的略小于实验值,但
在相同的攻角下LES模型的升力系数计算误差却
小于SSTk2ω对升力系数的计算误差,说明LES的
计算精度高于SSTk2ω,而DES模型的计算结果最
600kW变桨距风力机叶轮优化设计及数值计算
一４一 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第１０期 ２００７年１０月
文章编号：１００１—３９９７（２００７）１０－０００４－０２
６００ｋＷ变桨距风力机叶轮优化设计及数值计算
肖俊 席德科 赵旭 孙刚
（’西北工业大学，西安７１００７２）（ 上海交通大学，上海２０００３０）
ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ６００ｋＷ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅｓ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ＸＩＡＯ ＪｕｎＩ，ＸＩ Ｄｅ－ｋｅ’，ＺＨＡＯ Ｘｕｌ ９ ＳＵＮ Ｇａｎｇ
（’Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｍ Ｐｏｌｙｔｅｅｈｎｉｅａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）（ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０，Ｃｈｉｎａ）
中图分类号：０２２４文献标识码：Ａ
风力机叶轮是将风的动能有效转换为机械能和电能的核心
部件，它的设计极为重要。目前，兆瓦级风力机组多采用变速恒
频风力发电机组的形式。这种形式的风力发电机组，其风轮叶片
桨距角可以调节，同时发电机可以变速，输出恒频恒压电能。对
此类风力机进行设计和数值模拟计 ，具有工程应用价值。
１设计方法简介
１，１动量叶素设计方法
风力机叶轮设计主要是确定叶片数、直径、翼型、安装角和
弦长５个参数。
现代风力机叶尖速比较高，采用三叶片叶轮。
１．１．１风轮直径的确定
Ｄ＝、／
式中： 一功率系数，一般墩０．４３—０．４５；
力。一传动系统效率，一般取０．９２；
钾厂一发电机效率，一般取０．９５。
１．１．２翼型的确定
在翼型的选择上，本文设计的叶片各截面采用同一类翼
型——ＦＦＡ系列翼型。
１．１．３叶轮转速的确定
参照国内外同类风力机转数设计经验选取。
１．１．４安装角的确定
倾斜角：ｔｇ４， ＝ Ａ
根据所选翼型的最佳攻角Ｏｔ就可以确定安装角为：ｏ＝－６一Ｏｔ
风力发电机叶片的动力学分析
风力发电机叶片的动力学分析
1.叶片受风力作用的力学模型
在风力作用下，叶片受到了来自风力的气动力和离心力的作用。气动力是指风力对叶片产生的力，主要由气动阻力和升力组成；离心力则是由于叶片运动过程中产生的离心加速度而产生的力。
叶片受到的气动力和离心力可以用以下力学模型表示：
F=FL+FA+FC
其中，F表示总力；FL表示升力；FA表示阻力；FC表示离心力。
2.叶片动力学方程
在叶片运动过程中，通过分析和推导可以得到叶片的动力学方程。一般来说，叶片的动力学方程可以分为平动和转动两个方向的运动方程。
平动方向的运动方程可以表示为：
ma = F - mg
其中，m表示叶片的质量；a表示叶片的加速度；g表示重力加速度。
转动方向的运动方程可以表示为：
Iα=M
其中，I表示叶片的转动惯量；α表示叶片的角加速度；M表示叶片所受的扭矩。
3.叶片运动的特性分析
通过对叶片动力学方程的分析，可以得到叶片运动的一些重要特性。 首先，叶片的运动速度和加速度是随风速和叶片位置的变化而变化的。当风速较大时，叶片的运动速度和加速度较大；当风速较小时，叶片的运动速度和加速度较小。
其次，叶片的运动也与叶片的质量和刚度有关。叶片质量越大，惯性力就越大，叶片的运动速度和加速度也会随之增大；叶片刚度越大，叶片的弯曲程度就越小，叶片的运动速度和加速度也会随之减小。
另外，叶片的机械结构和几何形状也会影响叶片的运动特性。例如，增加叶片的长度和宽度可以增加叶片的弯曲刚度，减小叶片的弯曲程度，从而减小叶片的运动速度和加速度。
最后，叶片的动力学特性还与风力发电机系统的特性相互关联。例如，当风力发电机系统的负荷增加时，风力发电机叶片所受的力和扭矩也会增加，从而改变叶片的运动特性。
综上所述，风力发电机叶片的动力学分析是对叶片在风力作用下的运动规律和力学特性进行研究的过程。通过对叶片受力和运动方程的分析，可以了解叶片运动的特性和影响因素，从而为风力发电机叶片的设计和优化提供指导。
水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟
水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟
1. 背景介绍
水平轴风力机是一种利用风能转换成机械能或电能的装置，叶片是风力机的核心部件之一。然而，叶片在运行过程中容易受到恶劣天气条件的影响，其中之一就是翼型结冰。翼型结冰会导致叶片表面粗糙，减小气动性能，增加振动噪音，甚至影响风力机的安全运行。对水平轴风力机叶片翼型结冰进行数值模拟分析具有重要意义。
2. 数值模拟的基本原理
数值模拟是利用计算机对复杂的物理现象进行仿真和分析的方法。在水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟中，一般采用计算流体力学（CFD）方法。通过建立包括风场、湍流模型、叶片几何形状、冰的增长模型等在内的数学模型，可以对翼型结冰过程中的流场和热传递进行准确地描述和模拟。
3. 翼型结冰的影响
翼型结冰对水平轴风力机叶片的影响是多方面的。翼型结冰会改变叶片的气动外形，导致风力机的输出功率减小。由于结冰表面粗糙，会增加叶片的阻力和湍流损失，使得风力机转速不稳定，产生振动和噪音。严重的结冰会导致叶片失速，甚至引发风力机事故，危及人身和设备安全。
4. 数值模拟分析
在进行水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟分析时，需要考虑的因素很多。要建立适合叶片几何形状和结冰过程的网格模型，并选择合适的流体模型和湍流模型。需要考虑风速、气温、湿度等环境条件对结冰过程的影响。还需要对结冰过程中的热传递进行细致的模拟，以确定结冰的位置、厚度和形状。
5. 结果分析
通过数值模拟分析，可以得到水平轴风力机叶片翼型结冰的分布情况和严重程度，进而评估结冰对风力机性能和安全性的影响。在实际工程中，可以根据数值模拟结果制定相应的结冰防护措施，如采取加热、喷雾等措施防止结冰的发生。
6. 个人观点
从事水平轴风力机叶片翼型结冰数值模拟研究多年，我认为这一研究领域具有重要的理论和实际意义。通过数值模拟，可以深入了解结冰过程中的复杂流场和热传递特性，为有效防治叶片结冰提供科学依据。数值模拟还可以帮助工程师设计更可靠、更安全的风力机叶片，提高其性能和可靠性。
水平轴风力机翼型的气动性能分析
链臻 醚境
水平轴风力ｉｌｉ几翼型的气动性能分新
杨梅张礼达
（西华大学能源与环境学院 四川成都６１１００３９）
摘要 运用ｇａｍｂｉｔ对翼型ＦＸ６１—１８４进行建模，然后运用ｆｌｕｅｎｔ软件设置边界条件，经过计算得到升力系数、阻力系数、
井阻比和表面压力随来流攻角变化的规律，并对其原因进行分析。 关键词 翼型 气动性能风力发电
中图分类号：ＴＫ８３１．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９０６４（２０１１）０１—０００６—０３
风能是一种永续能源．可利用的风能在全球范围内分布 非常广泛．因此。风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战
略的重要组成部分。目前，全球的风力发电产业正以惊人的
速度增长．过去１０ａ平均年增长率达到２８％．每年在该领域
的投资额达到了１８０亿欧元…
在工作中．风力机通过叶片将风能转换为旋转的机械
能。从而带动发电机发电。所以叶片的性能决定了风能的利
用效率．而叶片性能好坏部分原因在于翼型的合理选择．所
以翼型性能决定了叶片的效率［２＿
１ Ｎ—Ｓ方程和湍流模拟方法
１．１ Ｎ—Ｓ方程 流体运动极其复杂．但也有其内在规律。这些规律就是
自然科学中通过大量实践和实验归纳出来的各种定律以及
物体的物理特性。它们在流体力学中有其独特的表达形式．
组成了制约流体运动的基本方程。其中动量守恒定律表现为
Ｎ—Ｓ方程［３３
二维Ｎ—Ｓ方程：
＋ｕｘ ＝一 ＋粤ａｙ） ａｔ ‘ ａｘ ａｖ ａｘ ’＼ｄｘ‘ ‘ ／
＋ ＋ｕｙ ＝ ０ｘ＋ （粤Ｏｘ＋粤０ｙ） ａｔ ａｘ ａｖ ’＼ ‘ ／ １．２湍流模拟方法
湍流是粘性流体在一定条件下所产生的一种运动方式．
因而描述粘性流体运动的Ｎ—Ｓ方程应该同样适用于湍流
但由于湍流运动极其复杂，企图求解瞬时流动的全部过程．
既不可能也无必要。因为湍流是一种随机过程．每一次单独
的过程均不完全相同．没有什么意义．有意义的是过程总体 的统计特性。现在人们已经能够通过某些数值方法对湍流进
风力发电机组叶片的气动性能分析
风力发电机组叶片的气动性能分析
近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的迅速发展，风力发电成为了重要的清洁能源之一。而风力发电机组的叶片作为其中的关键组成部分，其气动性能的分析对于提高发电效率具有重要意义。本文将重点探讨风力发电机组叶片的气动性能分析，并深入研究其原理和影响因素。
一、气动性能分析的原理
风力发电机组叶片的气动性能分析是通过计算机辅助工程（CAE）软件来模拟和预测叶片在风场中的响应。其中，主要采用的方法是数值模拟和风洞试验。数值模拟方法基于流体力学和数学模型，通过模拟风场中的流体流动，计算叶片表面的压力分布、力矩和阻力等参数，以评估叶片的性能。而风洞试验则是通过实验室环境中的风流模拟真实的风场，通过测量叶片表面压力分布和受力情况，来推导叶片的性能参数。
二、气动性能影响因素分析
风力发电机组叶片的气动性能受多种因素的影响，以下将分别介绍其主要影响因素：
1. 叶片形状：叶片的外形和轮廓对气动性能有着重要影响。一般来说，采用更长、更窄的叶片可以提高效率，但是也会增加叶片的结构复杂度和重量。同时，叶片的翼型横截面的选择也会对性能产生显著影响。
2. 叶片材料：叶片的材料选择直接关系到其强度和重量。常见的叶片材料包括复合材料、纤维增强塑料等。合适的材料选择可以在保证叶片强度的同时减轻重量，提高风能利用率。
3. 叶片倾角：叶片倾角对叶片的气动性能也有关键影响。适当调整叶片倾角可以改变叶片的攻角，实现更好的气动特性，并提高发电效率。 4. 风场条件：风的速度、方向和湍流强度等也是影响叶片气动性能的重要因素。不同的风场条件需要针对性地进行叶片设计，以获得最佳的气动性能。
三、气动性能分析技术应用
风力发电机组叶片的气动性能分析技术广泛应用于叶片设计、优化和性能评估等方面。
1. 叶片设计和优化：基于气动性能分析的数值模拟方法，可以对叶片进行自动化设计和优化，以满足预定的要求和目标。通过模拟和优化，可以寻找最佳的叶片形状、翼型和倾角等，实现更高效率的风能转化。
基于CFD模拟的风电机组叶片气动特性分析
基于CFD模拟的风电机组叶片气动特性分析
随着气候变化和环境保护的迫切需求，风能逐渐成为一种重要的替代能源。而风电机组则是将风能转化为电能的关键设备之一。在风电机组中，叶片是接收风能并将其转化为动能的组成部分。因此，了解叶片的气动特性对于提高风电机组的效率和可靠性至关重要。本文将基于CFD模拟，对风电机组叶片的气动特性进行详细分析。
1. 叶片的结构和工作原理
风电机组叶片一般由复合材料制成，具有轻量化、高强度和耐腐蚀性等特点。叶片通过受力产生弯曲，从而使其产生扭转和振动。这种振动会导致能量损失和叶片的疲劳破坏，因此了解叶片的气动特性对于设计高效、可靠的叶片至关重要。
风电机组叶片的工作原理是利用风的动能将叶片上的受力转化为旋转动能。当风吹过叶片时，叶片上的气动力会导致其产生扭矩，将风能转化为机械能。同时，叶片上的轮廓设计也会影响气动力的分布和叶片的动态响应。
2. CFD模拟在叶片气动特性分析中的应用
CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟是一种基于数值方法的流体力学分析技术。它可以通过在计算区域中的离散网格上求解流体运动方程组，得到流体的流动状态和相关参数。在风电机组叶片气动特性分析中，CFD模拟可以提供关键的流场信息，帮助优化叶片设计和改善叶片的性能。
在进行CFD模拟之前，需要建立包括叶片、风场和相关边界条件在内的几何模型。叶片的轮廓和表面特征会对气动力的分布和叶片的响应产生重要影响。因此，在建立几何模型时需要准确考虑叶片的实际结构和细节特征。
3. 叶片气动特性分析的关键参数 叶片气动特性分析中的关键参数包括叶片表面压力分布、叶片气动力系数、叶片扭矩和振动等。叶片表面压力分布可以用来评估叶片的气动性能和气动失效的风险。叶片气动力系数是描述叶片的气动性能的指标，可以用来评估叶片的耐风性能。叶片的扭矩和振动主要影响叶片的动态响应和结构寿命。
CFD模拟可以得到叶片表面的压力分布，进而计算出叶片的气动力系数。在CFD模拟中，需要考虑风速、风向、叶片转速等边界条件对叶片的影响。通过改变这些边界条件，可以评估不同工况下叶片的气动性能。
典型翼型气动导数
典型翼型气动导数
翼型是飞行器上最重要的构件之一，其形状直接影响着飞行器的气动性能。为了描述翼型在气流中的运动特性，人们引入了气动导数的概念。典型翼型气动导数是指在典型气动条件下，翼型产生的升力、阻力、力矩等物理量与流场参数之间的关系。本文将从典型翼型的升力系数、阻力系数和力矩系数三个方面来介绍典型翼型气动导数的特点和意义。
一、升力系数
升力系数是描述翼型升力大小的无量纲参量，通常用Cl表示。典型翼型的升力系数与攻角、马赫数和翼型的几何特性密切相关。在低速条件下，升力系数与攻角的关系可以近似为线性关系，即Cl = a
* α，其中a为升力系数斜率，α为攻角。在超音速条件下，翼型的升力系数会受到激波的影响，关系更加复杂。
二、阻力系数
阻力系数是描述翼型阻力大小的无量纲参量，通常用Cd表示。典型翼型的阻力系数与攻角、马赫数和翼型的几何特性密切相关。在低速条件下，阻力系数与攻角的关系可以近似为线性关系，即Cd = b
* α，其中b为阻力系数斜率。在超音速条件下，阻力系数的变化规律与升力系数类似，受到激波的影响。
三、力矩系数 力矩系数是描述翼型产生的力矩大小的无量纲参量，通常用Cm表示。典型翼型的力矩系数与攻角、马赫数和翼型的几何特性密切相关。力矩系数包括俯仰力矩系数Cm，横摇力矩系数Cl'和滚转力矩系数Cn'等。这些力矩系数的变化规律与升力系数和阻力系数的变化规律有一定的关联性，但也存在独立的影响因素。
典型翼型气动导数的研究对于飞行器的设计和性能分析具有重要意义。通过研究翼型的气动导数，可以优化翼型的形状和参数，提高飞行器的升力、阻力和稳定性能。同时，翼型的气动导数也可用于飞行器的故障诊断和飞行控制。例如，通过监测翼型的升力系数变化，可以及时发现翼型失速或其他异常情况，并采取相应的措施。
在实际应用中，翼型的气动导数通常需要通过实验或计算方法来确定。实验方法包括风洞试验和飞行试验等，通过测量翼型在不同工况下的升力、阻力和力矩等物理量，可以得到相应的气动导数。计算方法则基于流体力学的基本方程和数值模拟技术，通过数值求解来估计翼型的气动导数。
风力机翼型阵风响应计算与分析
第４３卷第５期 ２０１１年１Ｏ月 南 Ｊｏｕｒｎａ１ ｏｆ 京 航 空 航 Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 天 大 学 ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ 学 报 ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．５ ｏＣｔ．２０１ｉ
风力机翼型阵风响应计算与分析
顾 宁 陆志良 张家齐 郭同庆
（南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室，南京，２１００１６）
摘要：基于网格速度方法，对阵风条件下风力机翼型运动的气动特性进行数值计算。中心格式有限体积法、双时 间推进法求解预处理后的非定常Ｎ—Ｓ方程。计算结果表明：在弦向阵风作用下，翼型的运动能有效降低响应波动 峰值，即弦向阵风对运动影响较小；而在法向阵风作用下，气动响应波动很大。计算翼型在不同参数阵风作用下 的响应过程，阵风的频率变化对响应影响不大。弦向阵风的幅值增大，叶片运动对阵风响应峰值减缓效果增加； 法向阵风的幅值增大１倍，响应峰值也增加１倍。 关键词：非定常流动；风力机；阵风响应；Ｎ—Ｓ方程 中图分类号：ＴＫ８３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—２６１５（２０１１）０５—０６２３—０６
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｇｕｓｔ Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ
ｆｏｒ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ａｉｒｆｏｉｌ
Ｇｕ Ｎｉｎｇ，Ｌｕ Ｚｈｉｌｉａｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｊｉａｑｉ，Ｇｕｏ Ｔｏｎｇｑｉｎｇ （Ｊｉａｎｇｓｕ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｉ—Ｔｅｅｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍｅｔｈｏｄ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｌａｐｐｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｏｎｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｉｒｆｏｉｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｆｏｉｌ ｏｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｇｕｓｔｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ—ＶＯｌｕｍｅ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｊａｍｅｓｏｎ ｃｅｌｌ—ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｓｃｈｅｍｅ ｗｉｔｈ ａｒｔｉｆｉｃｉａ１ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｅ—ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｎ—Ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｕａｌ—ｔｉｍｅ
风力机翼型摩擦阻力数值计算中不同湍流模型的比较研究
２００８年第３６卷第１２期 流体机械
文章编号： １００５－－－０３２９（２００８）１２—００１ １－－－－０４
风力机翼型摩擦阻力数值计算中不同湍流
模型的比较研究
巫发明 。杨从新 ，张玉良‘，赵伟国
（１．兰州理工大学，甘肃兰州７３００５０；２．南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲４１２００１）
摘要：为了提高风力机翼型特性模拟的准确性，采用数值求解Ｎ—Ｓ方程的方法，对ＮＡＣＡ００１５翼型的气动性能进行 了数值模拟．考虑不同湍流模型、不同的计算格式、不同近壁面处理方法对风力机翼型特性模拟有着不同影响，数值模拟 中应用３种不同湍流模型和３种不同的计算格式，同时配合６种不同近壁面处理方法，并将计算结果与实验结果进行对 比。结果表明，在边界层内布置合适的网格点，采用ｋ—ｔｏＳＳＴ湍流模型数值模拟，可使ＮＡＣＡ００１５翼型阻力系数的计算 精度明显提高。 关键词： 风力机；翼型；数值模拟 中图分类号：ＴＫ８３ 文献标识码： Ａ
Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｔ Ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ａｉｒｆｏｉｌ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ
ＷＵ Ｆａ．ｍｉｎｇ 、 ，ＹＡＮＧ Ｃｏｎｇ—ｘｉｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕ—ｌｉａｎｇ ，ＺＨＡＯ Ｗｅｉ—ｇｕｏ （１．Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣＳＲ Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ａｉｒｆｏｉｌ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．ｔｈｅ ＮＣＡ００１５ ａｉｒｆｏｉｌ ａｅｒｏｄｙ— ｎａｍｉｃｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ Ｎ—Ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓ，ｓｃｈｅｍｅｓ，ａｎｄ ｇｒｉｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，３ ｍｏｄｅｌｓ，３ ｓｃｈｅｍｅｓ，ａｎｄ ６ ｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｎｅｓ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ＮＡＣＡ００１５ ａｉｒｆｏｉｌ￣ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｋ－ｃｏｓｓｔ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｍｅｓｈ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｆｏｉｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ：ａｉｒｆｏｉｌ：ｎｕｍｅｒｉｅａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
水平轴风力机风轮气动性能数值模拟
瑟 ｉ 《 ０ 姆ｒ 第２４卷第６期 ２００８年６月 电网与水力发电进展 Ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２００８ 文章编号：１６７４—０００９（２００８）０６—００５４—０４ 中图分类号：ＴＫ８３ 承 视 辁气 数 刘 楠，廖伟丽，王伟峰 （西安理工大学水利水电学院，西安７１００４８） 文献标志码：Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａ惫ｉ◇麓 ＰｅｒｌｅＦｉｎａｎｃｅ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ箜蔓ＡＷＴ 黪ｔｏｒ ＬＩＵ Ｎａｎ，ＬＩＡＯ Ｗｅｉ—ｌｉ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ—ｆｅｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏ—Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４８，Ｃｈｉｎａ）
ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｓｔａｌｌ 摘要：以某上风向定桨水平轴风力机风轮为研究对象进行数值 模拟，采用不可压Ｎ—Ｓ方程和 ＳＳＴＮ方程湍流模型，数值模 拟了不同风速下风力机风轮的流动特性。结果表明：随着风速 的增大，靠近叶片中部截面最先发生失速。在此基础上，分析了 叶片整体的压力与速度分布。 关键词：风力机；数值模拟；气动性能；失速 ０ 引言 随着风能利用在我国的深入推广，对风力机气 动性能的预测研究，越来越受到重视。目前，国内一 些风力机研究机构对翼型的气动性能进行了大量 的模拟和计算 ，而风轮和整机的气动性能还主要 依靠风洞实验来获得［３１。通过全三维的流动数值模 拟，可以全面获取叶片的气动性能＿４＿，而且数值模拟 的成本要远远低于风洞实验的成本。因此，采用数 值模拟方法来研究风轮的气动性能对于优化风力 机翼形和提高风力机效率具有重要意义。 以某水平轴风力机为研究对象，通过数值模拟 的方法研究不同来流风速下，叶片不同叶展截面处 翼型的气动性能和叶片整体的气动性能。 数值方法 采用三维不可压雷诺时均Ｎ—Ｓ方程及 一 ＳＳＴ 两方程湍流模型［５１对风轮进行数值模拟，速度和压 力之间的耦合用同位网格的ＳＩＭＰＬＩＣ算法实现，应 用有限体积法对控制方程进行离散，对流项采用二 阶迎风格式，近壁区使用壁面函数 ． 计冀区域和 格划分 流场计算域分为两部分：内部旋转域和外部流 场。采用多重参考系来解决风轮和外部流场之间的 耦合问题，计算区域如图ｌ所示。 凰｛计算区域 由于计算空间区域比较复杂，计算网格采用图 ２所示的适应性较强的非结构化四面体网格。受边 界层流动的影响，对壁面处特别是叶片的前缘和后 缘部分的网格进行了加密。 二耋． 删 ．＿兰、ｎ ～ ＝萋 一一一一～惭胁＝薹～一一一～一～～～一～ 维普资讯 第２４卷第６期 电网与水力发电进展 ０ ０ｉ ０ ０黪｝ ５５ 髑２ ｊ涎转区域嬲硌划分 １ ２边界条件 假定进口处具有相同的风速，不考虑风速切变 的影响；在出口边界处假定流动充分发展；叶片及 轮毂表面采用无滑移壁面边界条件：周期条件：仅 对风轮的一个旋转流道进行模拟。 ２风力枧风轮气流流动分析 对转速为７２ ｒ／ｍｉｎ，６种风速（７ ｒｒｄｓ、１０ ｍ／ｓ、 风速怕ｎ・ｓ） ３￣ｅ＋０１