風機葉片升阻比計算方法的研究

閆 磊，崔 研

（華北電力大學 機械工程系，河北 保定 071003）

0 引言

目前風力機葉片大多采用玻璃纖維復合材料，對于長度較大的葉片，也可以采用碳／玻混雜復合材料。葉片的外形是由沿葉片展向的一系列翼型組成，對翼型的研究主要是尋求一種高升力、高升阻比的翼型，故首先需要找到一種獲得翼型的升力和阻力的方法，通過此方法得到葉片的氣動參數，再根據氣動參數建立其三維模型，通過分析軟件得到葉片受力特點及強度剛度情況，從而決定材料的選擇和材料鋪層的結構等。

本文利用Fluent和MATLAB軟件，對翼型升力阻力系數和升阻比數據進行了研究，通過曲線擬合，得到隨攻角變化的升阻比曲線。

1 風機葉片升阻比特性

風機葉片可以沿展向劃分為若干截面，每一個截面的外形曲線就是該位置的翼型曲線。通過獨立地研究各個截面的翼型氣動性能，經過整合可以得到葉片的性能參數。在葉片翼型各個氣動參數中，升阻比是一個至關重要的參數。翼型受力示意圖如圖1所示，其中，c為來流風速，u和v2分別為c在切向和軸向的分量，v1為風速，α為來流角，αA為攻角，Ω為風輪轉動角速度，r為葉片距風輪中心的距離，dF D和dF L分別為阻力和升力，阻力與來流風速方向一致，升力與來流風速相垂直，兩者的大小取決于風速和攻角。在風速一定的情況下，攻角直接影響了升力和阻力的情況。

由空氣動力學理論可知，翼型氣動性能的評價指標主要為升力系數、阻力系數以及升阻比。設Cl為翼型的升力系數，Cd為翼型的阻力系數，由下式確定：其中：ρ為空氣密度。

從式（1）與式（2）可以看出，升力和阻力的大小與升力系數和阻力系數的大小成正比關系，因此研究升力系數和阻力系數的情況，同樣可以得到翼型升阻比特性。

葉片攻角同樣是一個重要參數，它決定了葉素的升力系數和阻力系數的大小。升力系數、阻力系數、升阻比的大小隨著攻角的變化而變化。在一定范圍內升阻比越高，翼型的氣動效率也越高，所以，需要獲得較高的升力系數和升阻比。因此，需要研究升阻特性與攻角變化之間的關系，以設計效率較高的翼型。

圖1 翼型受力示意圖

2 升阻特性的計算與分析

升阻特性的計算需要通過GA MBIT和Fluent聯合進行。GA MBIT是流體分析前處理軟件，將翼型數據導入后生成翼型樣條曲線，可以通過它進行流場建立、網格劃分和邊界條件的建立。根據流體力學相關理論，參考翼型特點建立流場，從而真實地模擬風機運行中風流入和流出的情況，對其進行空氣動力學分析。

首先對整個流場以及翼型進行網格劃分（見圖2），并建立邊界條件。此計算過程選擇在標準大氣壓101 325 Pa、風速為15 m／s、攻角為5°的情況下進行。Fluent的作用就是求解，本文主要是針對此翼型的升力和阻力進行的，通過軟件的迭代計算，得到了該攻角下升力、阻力系數。按同樣步驟對攻角為-5°～5°（間隔0.5°）下的升力、阻力系數進行求解，并分別對求解的結果進行分析。

3 升阻比數據分析

此處列舉了攻角為-5°、0°和5°情況下的升力、阻力系數的迭代計算結果，經過400次迭代，在收斂條件下，得到了各個翼型的升力系數和阻力系數，如圖3、圖4所示。通過對攻角為-5°～5°下翼型升阻系數計算，得到表1的最終結果。表2是通過PROFILI軟件得到的參考翼型升阻特性數據，用來與計算結果進行對比。

圖2 流場及翼型的網格劃分

圖3 升力系數迭代結果

圖4 阻力系數迭代結果

表1 計算翼型升阻特性

利用MATLAB的Cftool工具，分別將兩組數據中的數據擬合成光滑曲線，如圖5與圖6所示，其中Cl與Cl／Cd為求得的翼型升力系數與升阻比，C′l與C′l／C′d為參考翼型升力系數與升阻比。由圖5可見升力系數隨著攻角的增大而增大，與PROFILI翼型升力系數結果相比，在10%范圍內近似吻合。由圖6可知升阻比的變化趨勢相同，尤其是在低攻角范圍近似度較高。

表2 參考翼型升阻特性

圖5 升力系數隨攻角αA的變化曲線

4 結論

通過以上方法，可以得到葉片的氣動參數，將氣動參數用于風機葉片的設計過程中，最終通過有限元建模和分析，得到葉片應力、變形、屈曲、疲勞及強度等，通過這些參數設計葉片的蒙皮、主梁及鋪層等，針對氣動參數與鋪層結構選擇葉片材料，這對風力機葉片的設計有重要的意義。

圖6 升阻比隨攻角αA的變化曲線

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