風力機葉片翼型氣動性能對比與分析

于新青 何永玲* 黃芳武 吳 飛 胡 凱

(北部灣大學機械與船舶海洋工程學院1) 欽州 535011) (武漢理工大學交通學院2) 武漢 430063)(桂林電子科技大學機電工程學院3) 桂林 541004)

0 引 言

海上風電是可再生能源，具有風能資源穩定、不占用土地、消納條件良好等獨特優勢[1-2].風力機葉片是使風能轉化為機械能的主要構件，直接關系到機組的風能利用效率和氣動載荷，決定著風力發電機組能量轉換效率.

葉片由翼型按照一定規律疊加而成，翼型的氣動特性直接影響風能利用效率.劉麗娜等[3]通過Profili與Fluent接口銜接方法，確定了翼型氣動模擬方案，在此基礎上開發了風力機翼型建模與仿真一體化系統.吳友健等[4]采用數值方法研究不同攻角時NACA4415翼型的氣動特性，利用ICEM對NACA4415翼型進行結構化網格劃分，計算結果表明在6°攻角時翼型存在最大升阻比，此時翼型的氣動性能最佳，對風能利用率最高.Andrew等[5]對比研究了多種不同翼型在低風速環境下的性能，發現NACA4412這種翼型在氣動噪聲和升阻特性等方面都具有明顯優勢.代元軍等[6]通過對S型翼型繞流流場進行數值模擬，并對比其實測數據，最后證實了S翼型具有氣動性能良好的優點.從上述研究中可以看出NACA翼型和S翼型都具有氣動性能良好的優點.目前針對我國廣西北部灣海域探索性發展海上風電的現狀，不同翼型對此海域的適用性探索研究較少.

針對廣西北部灣海域在離岸20～40 n mile范圍內，100 m高度年平均風速為6.8～7.5 m/s這一特定風速的條件下[7]，選擇目前低風速下有代表性的NACA4412和S1010這兩種翼型作為研究對象，分別針對這兩種翼型進行流動和氣動特性研究，并比較其在低風速環境下的性能表現.

1 翼型氣體動力學模型

1.1 翼型氣動參數

在空氣的流場中，氣流速度快的區域壓力小，氣流速度慢的區域壓力大.當葉素與大氣存在相對運動時，氣流在葉素產生了升力dL和阻力dD，阻力與相對速度方向平行，升力與相對速度方向垂直.相對氣流方向與葉素翼型幾何弦的夾角稱為攻角，用α表示.

葉素上的升力為

(1)

葉素上的阻力為

(2)

式中：ρ為空氣的密度，kg/m3；ω為相對速度，m/s；c為幾何弦長，m；Cl為升力特征系數；dr為葉素的長度，m；Cd為阻力特征系數.

Cl和Cd是描述翼型所受到的力的量綱—的量參數，其中升阻比Cl/Cd是衡量葉片翼型在不同環境中產生升力和阻力的能力的重要參數.升阻比的值越大，說明翼型受到的升力越大，葉片翼型的氣動性能越好，葉片能夠更好地利用風能來提高發電效率.

2 控制方程和湍流模型

2.1 控制方程

對于低風速風力機繞流，流場中的密度變化很小，因此，可以假設其繞流流動為不可壓縮流動.此外，流場中溫度的變化不大，黏性系數隨溫度的變化可以忽略.邊界層流體分離和流體的粘性有關，因此在計算時不能忽略流體的粘性.故采用連續性方程和N-S不可壓縮方程作為數值模型的流場控制方程

(3)

(4)

(5)

式中：ρ為流體的密度；u為流體的速度；μ為流體黏度系數.

2.2 湍流模型

由于本次計算為外流場模型，壁面附近非常重要，SSTk-ω模型對邊界層湍流和自由剪切湍流均有良好模擬效果，是理想的選擇，該湍流模型可以求解黏性子層，其運輸變量為湍動能k和比耗散率ω，運輸方程為

(6)

(7)

式中：Gk為湍動能；Gω為比耗散率，Gω由ω得出；Γω和Γk分別為k和ω的耗散項；Dω為交叉擴散項；Sk和Sω為原項.

3 翼型流場建模與網格劃分

3.1 翼型流場建模

本研究總體思路是通過Profili提取翼型數據，在ICEM中建立計算域，經過網格劃分，最后導入Fluent中進行計算分析.整體框架圖見圖1.

圖1 整體框架圖

Profili軟件是專業翼型設計軟件，內置翼型數據多達上千種，文中使用Profili翼型庫對這兩種翼型進行數據提取.通過Profili軟件數據庫得知NACA4412翼型最大厚度為12.02%，在30%的翼弦位置；最大曲面為4.00%，在40%的翼弦位置.S1010翼型最大厚度6.02%在23.3%的翼位置，最大曲面0.00%在0.0%的翼弦位置.

3.2 流場域的建立與網格劃分

根據模擬實際應用，在Profili中選取NACA4412和S1010翼型，輸出dat格式翼型坐標點數據.將整理好的翼型數據點導入ICEM中進行網格劃分，考慮到單個二維翼型幾何形狀較為簡單，故采用結構化網格進行劃分.S1010翼型整體網格分布見圖2.

圖2 S1010整體網格劃分圖

將在ICEM中劃分好的網格導入Fluent中，并在其中將在邊界條件設置為速度入口和壓力出口.翼型壁面設置為絕熱無滑移壁面邊界.選用SST湍流模型，壓力-速度耦合采用Simplec算法，壓力項、湍流黏度項、動量項均采用二階迎風格式離散.在計算過程中打開殘差監視器同時監測升力系數、阻力系數，當殘差最大值小于并且所監測的參數不隨迭代次數變化而改變，則認為計算收斂.通過改變風速的來流方向來實現攻角的變化.

4 升阻特性分析

4.1 翼型氣動特性分析

選取廣西北部灣海域在離岸20～40 nmile范圍內，100 m高度年平均風速為6.8～7.5 m/s這一特定風速范圍，并在這一特定風速范圍下對兩種翼型特性進行分析對比.圖3～4分別為NACA4412翼型和S1010翼型在7 m/s風速下隨攻角α變化的速度云圖.

根據伯努利原理，流速大的區域形成負壓區，流速小的區域形成正壓區.由圖3～4可知:隨著攻角的不斷增大，在0°～12°攻角范圍內，翼型尾緣位置出現顯著的氣流分離，翼型上表面的逆壓梯度不斷向前緣移動，在翼型尾部區域的氣流已經不再緊貼翼型表面來流動了，由層流附著流變為紊流擴散流.

圖3 翼型NACA4412速度云圖

圖4 翼型S1010速度云圖

4.2 翼型升阻力系數計算及分析對比

為了研究在廣西北部灣海域這一特定風況下，攻角變化對翼型氣動性能的影響規律及其性能差異，選取6.5，7，7.5 m/s的低風速工況，對這兩種翼型在不同攻角下的升阻特性進行數值仿真，并對比分析其升阻比曲線.圖5為用Matlab曲線擬合得到的NACA4412翼型和S1010翼型模擬數據曲線，翼型的升阻比隨著攻角的增大呈先增大后減小的趨勢.由圖3～4可知:在小攻角工況下，氣流流經翼型表面在翼型尾部還沒有發生分離，升阻比隨著攻角的增大呈上升趨勢；而在大攻角工況下，氣流在翼型尾部發生分離脫落現象愈加明顯，此時的升阻比呈下降趨勢.

圖5 不同翼型升阻比

由圖5可知:在6.5～7.5 m/s的風速范圍，這兩種翼型最大升阻比對應的攻角變化不大，這說明在此風速區間，翼型最佳攻角比較穩定.并且在此風速范圍條件下，兩種翼型在不同攻角下的升阻比變化規律不受風速變化的影響.分析這兩種翼型的在此風速范圍內的最佳升阻比以及升阻比變化規律，NACA4412翼型的Cl/Cdmax為48.86，S1010翼型的Cl/Cdmax為30.26.通過對比發現相較于S1010翼型，NACA4412翼型的升阻特性較優.

4.3 數值擬合及數學模型

圖6為NACA4412翼型在7 m/s風速下計算所得的7個點坐標運用Matlab曲線擬合的圖形，通過Sum and Sine曲線擬合的方法，得到了升阻比曲線圖.

圖6 翼型NACA4412擬合升阻比曲線(7 m/s)

擬合升阻比曲線隨攻角0°～12°范圍內的數學模型為

f(x)=48.1×sin(0.148 3×x+0.710 8)

(8)

圖7為S1010翼型在7 m/s風速下計算所得的7個點坐標運用Matlab曲線擬合的圖形，通過Custom Equation曲線擬合的方法，得到了升阻比曲線圖.

圖7 翼型S1010擬合升阻比曲線(7 m/s)

擬合升阻比曲線隨攻角0°～12°范圍內的數學模型為

f(x)=30×sin(0.21×x+0.35)-

6.29×sin(0.71×x+7.89)-3.96

(9)

5 結 論

1)在廣西北部灣海域特定風速條件下NACA4412和S1010兩種翼型，兩種翼型在不同攻角下的升阻比變化規律基本不受風速變化的影響.

2)非對稱翼型NACA4412相較于S1010翼型在相同工況下的升阻比更大，驗證了NACA4412翼型更適用于廣西北部灣海域的風速環境.

3)通過仿真分析得，隨著攻角的增大，來流在兩種翼型尾緣發生流動分離，形成渦流，降低翼型的升阻特性；當攻角超過某一臨界值時就會出現失速現象，兩種翼型在攻角增大趨勢中都達到了最大升阻比，此時的氣動性能最好，對風能利用率最高.

4)通過Profili軟件進行翼型數據點獲取，將數據點導入ICEM中進行網格劃分，在Workbench中將ICEM和Fluent進行銜接，提高了翼型研究效率.