风力机翼型大迎角分离和动态失速的数值研究

基于NACA0012翼型动态失速的模拟仿真与数值计算魏良【摘要】Taking the NACA0012 airfoil as an example, the airfoil is meshed based on CFD method, and a set of highprecision welt mesh suitable for analyzing dynamic stall is obtained. The dynamic stall calculation method of airfoil in unsteady flow field is established by using Reynolds time-averaged N-S equation and standard k-ω model, and numerical calculation is carried out by Fluent. The variation of the vortex, the upper and lower surface pressure and the lift characteristics of the airfoil under dynamic stall in the corresponding examples are discussed and analyzed.%以NACA0012翼型为例,基于CFD方法对该翼型进行了网格划分,得到一套适合于分析动态失速的高精度贴边网格.在此基础上采用雷诺时均N-S方程,标准k-ω模型建立了翼型在非常定流场中的动态失速计算方法,并运用Fluent对其进行了数值计算.讨论并分析了相应算例中翼型在动态失速情况下涡流、翼型上下表面压力及升力特性的变化情况.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2019(000)003【总页数】3页(P127-129)【关键词】动态失速;网格划分;数值计算;参数分析【作者】魏良【作者单位】中国国际航空公司西南分公司飞行部, 成都 610200【正文语种】中文【中图分类】V211.410 引言翼型的动态失速是指振荡翼型的等效迎角超过其静态失速迎角时发生的非定常气流分离和失速现象[1]。

风力机翼型气动力的雷诺数修正及其影响分析梁湿;刘雄;张林伟;李成良;张富海【摘要】目前,大型风力机翼型的运行雷诺数已经达到107量级,但高雷诺数下的气动数据普遍欠缺,也缺乏雷诺数效应对叶片的影响评估.文章结合翼型现有测试数据和Xfoil计算结果,以NACA63-421翼型为例,根据较低雷诺数下的气动力数据对较高雷诺数下的气动力数据进行了修正.分析了雷诺数对翼型升阻力特性、升阻比、前缘粗糙敏感性、转捩位置等气动特性的影响.根据翼型雷诺数修正方法对7.0MW风力机叶片翼型气动力进行修正,依据不同雷诺数下修正的气动力数据对叶片进行了气动计算,发现不同雷诺数下叶片的最优运行点会发生改变,影响气动效率和载荷.因此,设计过程中需要充分考虑雷诺数对风力机叶片气动特性的影响.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2015(033)011【总页数】6页(P1658-1663)【关键词】风力机;翼型;雷诺数;气动特性【作者】梁湿;刘雄;张林伟;李成良;张富海【作者单位】中材科技风电叶片股份有限公司,北京100092;汕头大学工学院,广东汕头515063;汕头大学工学院,广东汕头515063;北京万源工业有限公司,北京100176;中材科技风电叶片股份有限公司,北京100092;中材科技风电叶片股份有限公司,北京100092【正文语种】中文【中图分类】TK83翼型是叶片外形构造的基础，其性能对叶片的气动性能具有重要影响，而雷诺数是影响翼型气动性能的主要参数之一[1]。

在水平轴风力机中，叶片是最关键的部件之一，随着风电机组尺寸的不断增大，叶片翼型运行雷诺数也不断增大，Ceyhan 对20 MW级别、长123 m叶片的概念设计表明叶片运行雷诺数已达2.5×107[2]。

此外，风雪天气条件下，空气的粘性作用和密度变化也会导致雷诺数发生很大变化。

而风力机翼型表面气流流动状态一般会经历层流、过渡流到湍流的转变，即处于第一自模化区与第二自模化区中间，其气动性能受雷诺数变化的影响，在气动性能的预测中必须计及与雷诺数的非线性关系。

I摘要H 型风力发电机作为一种新型的风能利用设备逐渐受到人们的重视。

相比于目前广泛应用的水平轴风力机，H 型风力机在制造、运行和维护等方面有诸多优点。

但目前H 型风力机的气动分析和设计理论并不完善，现有的动态失速模型不能准确反应叶片的动态失速特性，翼型参数对叶片动态失速性能的影响尚不明确，这些问题都为H 型风力机的分析和设计带来了困难。

本文以H 型风力机的基础翼型——NACA 4-dig 系列翼型为研究对象，结合H 型风力机的运行特点，简化了双致动盘多流管理论，改进了现有的动态失速模型。

通过数值模拟的方法研究了H 型风力机翼型的主要参数对动态失速性能的影响。

最后设计了一种H 型风力机叶片专用的涡流发生器，并通过试验验证其对叶片动态失速的改善效果。

本文研究的主要内容包括：基于H 型风力机工作时的非定常气动特性，提出了下风区局部叶尖速比的概念，简化了双致动盘多流管理论，在此基础上对B-L 和MIT 等动态失速模型进行改进。

将改进模型计算结果与实验数据对比后发现：MIT 改进模型对上风区的切向力系数和下风区的法向力系数预测精度较高；B-L 改进模型对上风区法向力系数和下风区切向力系数的计算结果与实验数据吻合良好。

使用数值模拟的方法对叶片翼型表面的流动情况进行研究，观察翼型表面涡的产生、发展、分离、相互诱导和再附着过程。

对比不同厚度、不同弯度的翼型在不同叶尖速比下呈现出的失速特性发现：在低叶尖速比工况下，增大翼型弯度和厚度可以提高切向力系数；高叶尖速比时，小弯度(4%t ≤)，薄翼型(12%f ≤)有更好的气动性能。

根据H 型风力机的工作特性，确定涡流发生器在叶片上的布置方式和设计参数，试验验证涡流发生器对叶片动态气动特性的改善效果。

试验发现：涡流发生器在低叶尖速比下(2λ≤)改善效果尤为明显，当=1.5λ时，升力系数峰值提高了37.5%。

本文的研究为H 型风力机专用叶片的设计提供了指导。

将涡流发生器应用于H 型风力机叶片，在改善叶片失速性能方面取得了良好的效果。

极端风况下风力机的动态失速研究李仁年;郑利凯;李德顺;李银然;金俊俊;赵振希【摘要】根据IEC标准与GL准则定义极端风速模型对某1.5MW的水平轴风力机进行数值模拟计算,研究极端风况下风轮转矩、空气动力系数等的变化规律.研究发现,风力机在非稳态工况下运行时,高风速时风轮的转矩与低风速时风轮的转矩变化规律相比有明显差异,叶根到叶尖产生不同程度的失速.在风速增大和减小的不同过程中,非稳态工况下风轮转矩、升力系数和阻力系数随攻角的变化有显著地差别,叶轮的升力系数和阻力系数的最大值均高于稳态下的系数.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2019(045)003【总页数】5页(P51-55)【关键词】风力机;极端风况;非定常;动态失速;数值模拟【作者】李仁年;郑利凯;李德顺;李银然;金俊俊;赵振希【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省风力机工程技术研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省风力机工程技术研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省风力机工程技术研究中心,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TK83风力机经常在非定常工况下运行,风速的不断变化影响着叶片的气动性能,进而影响整个风力机的发电效率.非定常工况主要分为定常风况和极端风况.国际电工学会(IEC)的IEC 61400-1标准[1]和德国劳埃德船级社(GL)的GL准则[2]提出了六种极端风况模型.本文主要研究风力机在极端运行阵风下的动态失速问题.极端运行阵风是基于轮毂高度处的环境条件建立的,表现为风速的急剧增大又在短时间内急剧下降,这使风轮的气动载荷发生较大变化且动态失速明显,危害风力机的运行安全和使用寿命.动态失速指攻角高于临界攻角时,翼型表面发生较复杂的非定常分离和大尺度漩涡结构,气动力产生明显的非线性迟滞特性.主要表现为其失速时的最大升力系数高于稳态失速时的升力系数.近年国内外对于极端风速模型和动态失速的研究逐渐增多.曹莉等[3]研究了强阵风风况下风力机塔架的瞬态响应,发现在强阵风下塔架横向振动波动很大.李仁年等[4]研究了风力机的法向力、切向力系数等在极端风况下的变化规律.Ferreira等[5]通过PIV技术研究了垂直轴风力机的动态失速问题.Leishman[6]针对NACA23012翼型实验分析了此翼型的非稳态、稳态失速的形成机理.宋辰瑶[7]研究了缩减频率和马赫数对旋转翼型动态失速响应的影响.陈旭等[8]对NREL S809翼型的二维流场进行数值模拟,得到不同攻角下的升、阻力系数,通过与稳态流场下的数值进行对比,得出升、阻力系数在两种状态下有显著差异.刘占芳等[9]利用B-V、B-L等动态失速模型研究立轴风力机的动态失速特性和气动特性,研究结果与实验结果对比验证了B-L模型能准确地预测风力机的气动性能.赵荣珍等[10]利用有限元法和Newmark数值积分法计算风轮在变载荷下叶片的动态响应,计算时考虑了叶片受到剪切力、弹性耦合及离心力等的作用.研究结果表明,剪切力、叶片旋转下的弹性耦合与离心力的作用对叶片振动和振幅都有不同程度的影响.本文通过建立风力机模型,利用Fluent技术对极端风况下的风力机流场进行模拟,得出的数据与稳态工况下的数值进行对比,分析非稳态、稳态下失速差异的形成机理.1 极端风速模型和数值模拟1.1 极端运行阵风模型根据IEC标准和GL准则,选取极端风速模型中的一年一遇的极端运行阵风模型(EOG)进行建模研究.一年一遇极端运行阵风模型：(1)式中：v(z)=vhub(z/zhub)α,vhub为轮毂处风速,m/s,zhub为轮毂高度,m;α为幂指数(通常取0.2);vgust,N为极端运行阵风的风速,m/s;取T=10.5 s,N=1.通过以上数学模型建立的一年一遇极端运行阵风风速模型(EOG)如图1所示.1.2 数值模拟1.2.1 模型选择与网格划分采用某1.5 MW风力机进行数值模拟计算,风轮直径83 m,额定风速10.4 m/s,额定转速17.2 r/min,轮毂高度65 m,叶片截面翼型为NH02XX.选择风轮的1/3区域作为计算域并在对称边界设置周期性边界条件.内部旋转域采用非结构网格,外域选用结构化网格,在Fluent中缝合处理以使interface界面处的数据进行正常的传输,网格数总计900万.采用32核处理器与256 G内存的服务器进行数值计算.三维计算区域如图2所示.图1 极端运行阵风模型Fig.1 Model of extreme operating gust图2 三维计算区域模型Fig.2 Model of 3-D calculation domain1.2.2 边界条件设置在进行数值模拟计算时,湍流模型采用SST k-ω模型,进口为速度入口,出口为压力出口,叶片和轮毂表面均为黏性无滑移边界,计算域绕y轴旋转,设定转速为恒值17.2 r/min.动量和湍动能均选择二阶迎风格式进行离散,压力-速度耦合采用SIMPLEC算法.假设在标准大气压下进行,空气为理想气体,忽略重力影响.所选择的边界条件均经过验证,符合本次数值计算的要求.对于非稳态情况,选取叶轮每转3°为一个时间步长,根据叶轮的额定转速得到时间步长Δt=0.029 069 77 s.选取低湍流强度值,即I=0.16.通过UDF给定极端运行阵风工况作为入口边界条件,进行非定常计算.对于稳态情况,选取极端运行阵风的不同时刻对应的风速作为入口边界条件,其他边界条件不变,进行定常计算.2 模拟结果与分析风力机中叶片旋转是由于叶片受到来流风的空气动力的缘故.根据叶素-动量理论,风以速度v吹到叶片上,叶片会受到空气总动力F而旋转.其表达式为(2)式中：ρ为空气密度；Cr为空气动力系数；Sy为叶片面积(约等于叶片长度与弦长的乘积).总气动力F在相对风速上分解为升力Fl和阻力Fd,通常以升力系数Cl和阻力Cd 系数分析,Cl与Cd的定义式为(3)(4)式中：v为风速；ρ为空气密度;S为风轮扫掠面积.阻力作用在风轮上会产生轴向转矩M,根据叶素理论,转矩为式中：ρ为空气密度;w为相对速度;N为叶片数;c为弦长;φ为相对风向角;r为风轮半径.2.1 风轮转矩分析图3a给出了风轮在极端运行阵风下风轮的转矩、风速随时间变化的曲线.从图中可以看出,当时间在a点之前和b点之后这两个时间段时,不同时刻的风速对应的风轮转矩的变化趋势接近.而在a～b时间段,不同时刻的风速对应的风轮转矩的变化趋势有较大差别.通过观察图3b,可以更加直观地反映转矩随风速变化的规律.c点对应的风速为8.046 3 m/s,d点对应的风速为11.656 8 m/s,e点对应的风速为15.834 6 m/s.当风速在c、d之间时,无论在风速增大还是减小过程,转矩M在四个风速变化阶段差异很小；当风速在d、e之间时,对比风速增大和减小两个过程的转矩,发现两个阶段风轮转矩差值较大.这是由于风力机动态失速和风轮的三维旋转效应导致的.图3 极端运行阵风转矩变化的曲线Fig.3 Variation curve of torque vs time under extreme operating gust2.2 叶片截面流动特性及压力当风速v=15.867 6 m/s,为解释上述失速情况,选取叶片展向的三个截面进行分析,截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处主要参数见表1.表1 叶片展向不同截面参数Tab.1 Blade show in different cross sectionparameters截面距转轴距离/m展向位置/%弦长/m扭角/(°)Ⅰ13.533.32.5346.74Ⅱ25.562.51.4131.16Ⅲ37.592.50.804-2.10图4是叶片三个截面的速度流线图.由于风速较高,非稳态、稳态下叶片吸力面均发生失速.从图4a可以看出,截面Ⅰ处在叶素尾缘处发生严重的流动分离,在尾缘处形成两个分离涡.这是由于主流在自由边界上不断带走质量,中心部分便有气体从后面不断填补,形成中心部分的倒流；截面Ⅱ、Ⅲ处叶素由于其对应的攻角小于截面Ⅰ处的攻角,因此没有截面Ⅰ处失速那么严重，其失速程度从叶根向叶尖处呈递减趋势.通过对比图4b发现,稳态工况下失速时的分离涡尺度大于非稳态工况下动态失速时的分离涡尺度,倒流现象比动态失速更明显.图4 t=5.23 s时非稳态、稳态下各截面处速度流线Fig.4 Velocity streamlines around several blade sections under steady and unsteady at time of 5.23 s2.3 升、阻力系数的非稳态、静态数据分析图5给出了不同截面处的升、阻力系数随攻角的变化曲线.分析图5a,对于截面Ⅰ处非稳态工况下的升、阻力系数随着攻角的增大不断增大,在攻角为25°时达到最大值1.95和1.62.攻角继续增大,升、阻力系数开始减小,表明此时风力机发生了动态失速.当攻角达到最大值后开始下降,升、阻力系数开始随着攻角的减小而减小,整个过程形成一个环值.稳态工况下的升、阻力系数开始随着攻角的增大而增大,在攻角为23.5°时达到最大值1.78和0.70.攻角继续增大,升、阻力系数反而减小.对比图5b和图5c截面Ⅱ、Ⅲ处时,升、阻力系数随着攻角改变的变化趋势与截面Ⅰ处相似,但最大升、阻力系数对应的攻角逐渐减小,升、阻力系数与稳态工况下的升、阻力系数也越来越接近,但阻力系数的变化趋势比升力系数更加明显.上述分析说明,非稳态工况下动态失速时的最大升、阻力系数高于稳态工况下失速时的最大升、阻力系数.动态失速对应的攻角也大于稳态工况下失速时所对应的攻角.在攻角值较大区域时,从叶根向叶尖沿叶片展向导致的升、阻力系数的差值逐渐减小,动态失速下的升、阻力系数也越来越接近稳态工况下的升、阻力系数.从叶根到叶尖沿叶片展向失速时对应的攻角也逐渐减小.图5 不同截面处升、阻力系数随攻角变化的曲线Fig.5 Variation curve of lift and drag coefficient of different blade sections attack angle of wind speed on coming3 结论1) 风力机在一年一遇极端运行阵风模型下运行时,当风速高于额定风速时,风轮转矩在风速上升和下降过程表现出较大差异.风速越高,其转矩的差值越大.2) 风力机一年一遇极端运行阵风模型下的失速过程中,失速程度从叶根到叶尖沿叶片展向逐渐减小.相同叶素处非稳态工况下的动态失速程度低于稳态工况下失速.3) 非稳态工况下动态失速时最大升、阻力系数高于稳态工况下失速时的升、阻力系数,从叶根到叶尖沿叶片展向失速时对应的攻角逐渐减小.参考文献：【相关文献】[1] International Electrotechnical Commission.Wind turbines,part1:design requirements:IEC:61400-1[S].Geneva:International Electrotechnical Commission,2005. [2] Germanischer Lloyd.Guideline for the certification of wind turbines:GL 2010[S].Hamburg:Germanischer Lloyd,2010.[3] 曹莉,孙文磊,周建星.强阵风条件下风电机组钢-混凝土塔架瞬态响应分析 [J].可再生能源,2015,33(7):83-88.[4] 李仁年,刘恒,李德顺,等.极端风况下水平轴风力机的非定常气动特性研究 [D].兰州:兰州理工大学,2016.[5] FERREIRA C S,KUIK G V,BUSSEL G V,et al.Visualization by PIV of dynamic stall on a vertical axis wind turbine [J].Exp Fluids,2009,46:97-108.[6] LEISHMAN J G.Dynamic stall experiments on the NACA23012 airfoil [J].Experiments in Fluids,1990,9:49-58.[7] 宋辰瑶,徐国华.旋转翼型非定常动态失速响应的计算 [J].空气动力学学报,2007,25(4):461-467.[8] 陈旭,郝辉,田杰,等.水平轴风力机翼型动态失速特性的数值研究 [J].太阳能学报,2003,24(6):735-740.[9] 刘占芳,颜世军,张凯,等.立轴风力机叶片动态失速特性与气动性能分析 [J].太阳能学报,2012,33(2):204-209.[10] 赵荣珍,芦颉,苏利莹.风力机旋转叶片的刚柔耦合动力学响应特性分析 [J].兰州理工大学学报,2016,42(6):36-42.。

动态失速初步介绍，传统的静态失速认为，当翼型来流迎角增大到某一定值时，在翼型表面会出现大规模流动分离而导致升力突然下降和阻力的突然增加[1]。

，p在20世纪40年代，Himmelskamp首次在实验中发现了动态失速现象的存在[2]。

但由于当时人们对航空器的机动性要求不高而且分析手段有限，所以并未对这一现象进行深入研究。

翼型运动方式不同对其升力的影响[3]直到60年代一次直升机旋翼实验后才引起普遍关注，关于动态失速特性的研究也随之展开。

[]Ham[4]最早给出了关于动态失速发展过程的理论描述。

70年代后，McCroskey[5]等对动态失速现象进入年代后M C k[5]作了许多实验研究，使得人们对动态失速的发生机理有了更进一步的认识。

有进的识[],1988年Carr L W在他的文章[6]中指出动态失速的基本特征是流畅中存在复杂的非定常分离和大尺度涡旋结构，气动力表现出明显的非线性迟滞特性。

年Ekaterinaris[7]等对过去人们研究翼型动1998Ek t i i[7]态失速所采用的数值方法和研究成果进行了比较全面的总结，表面翼型俯仰运动的折合频率、振全的总结表型俯仰动的折合频率振幅角、平衡迎角、转轴位置和来流马赫数等因素都对失速涡的强度、发展和脱落有着直接影响，同时翼型的几何形状极大的影响动态失速特性同时翼型的几何形状也极大的影响动态失速特性一次振荡过程边界层发生逆流前缘发生流动分离，产生涡流涡沿着弦向流动，产生额外升力涡脱离翼型，进入深度失速下俯直到边界层再次依附，，综上，与传统的静态升力不同，动态失速现象是个非常复杂的非线性问题。

如果想得到精确的解则必须求解NS方程，而解NS方程方面所需计方程一方面所需计算时间比较久，另一方面由于是强烈的分离流动，选择合适的湍流模型也很困难。

所以现在工程选择合适的湍流模型也很困难所以现在工程上一般使用经验或者半经验的动态失速模型来预测升力曲线。

测升力曲线湍流模型的影响几种不同的湍流模型算出的动态失速升力曲线。

风力机叶片翼型气动系数获取方法的研究郭改琴【摘要】针对风力机叶片翼型在-180°~180°之间的气动数据准确性和完备性不高且难以获取的问题,提出采用Xfoil6.99和Profili2.21两个专业软件分别获得小迎角下风力机叶片翼型气动系数,然后求和求平均值得到了新的翼型气动数据,再通过AirfoilPrep-v2p2程序将气动数据扩展到迎角在-180°~180°范围内.通过数据分析得到了升力系数、阻力系数和力矩系数的变化规律,这为翼型的优化设计提供了重要的理论支持.【期刊名称】《杨凌职业技术学院学报》【年(卷),期】2018(017)003【总页数】4页(P50-52,66)【关键词】翼型;气动系数;迎角【作者】郭改琴【作者单位】杨凌职业技术学院,陕西杨凌712100【正文语种】中文【中图分类】TM315风力机叶片的设计过程中，叶片展向翼型的空气动力学特性是气动性能设计的基础，但翼型气动数据的获取却是叶片设计中最难的部分，翼型气动数据的准确性和完备性对叶片的设计十分重要。

所以怎么样获得翼型在-180°～180°之间的气动数据是研究的关键内容。

风力机叶片和普通飞机机翼不同，迎角范围广(-180°～+180°)，雷诺数的范围宽(一百万至一千万)。

目前国内许多厂商只能提供-10°至15°之间的翼型气动特性，获取大迎角下的气动特性非常必要，获取的初步数值进行优化也必不可少。

本文采用Xfoil6.99和Profili2.21两个软件获得小迎角下的气动系数，将对应迎角下的计算值相加再取平均值，然后通过AirfoilPrep-v2p2程序将气动数据扩展到迎角为-180°～180°范围内。

1 Xfoil 6.99获取升阻力系数Xfoil6.99.zip软件是由美国学者Drela博士研究的用来计算翼型气动性能的程序。

风力机翼型气动特性数值计算及影响因素研究周茜茜;孙贺;刘晓光;王洋【摘要】二维翼型气动特性决定整个转子叶片的气动特性,分析二维翼型气动特性十分必要.文章介绍了翼型绕流及其升阻效应,并且对经典翼型NACA4415进行气动特性数值模拟计算,对翼型气动特性影响因素雷诺数、相对厚度、相对弯度等进行了研究.对翼型气动特性数值计算及其影响因素的研究,为三维叶片设计提供可靠参考,并对进一步叶片优化设计具有重要意义.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2014(032)008【总页数】6页(P1144-1149)【关键词】翼型扰流;升阻效应;数值模拟;影响因素【作者】周茜茜;孙贺;刘晓光;王洋【作者单位】吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130022;吉林省计算中心(吉林省计算机技术研究所),吉林长春130022;吉林省计算中心(吉林省计算机技术研究所),吉林长春130022;吉林省计算中心(吉林省计算机技术研究所),吉林长春130022;吉林省计算中心(吉林省计算机技术研究所),吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言风轮是风力机最核心的部件，也是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定性因素[1]～[3]。

掌握了叶片设计技术就是掌握了风力机设计技术的关键。

叶片气动性能的好坏，取决于叶片几何外形设计，包括高效的接受风能的翼型、合理的安装角、科学的升阻比、尖速比和叶片扭曲，是衡量叶片设计成功与否的标准[4]～[6]。

因此，气动性能的好坏对风轮是至关重要的。

1 翼型气动特性理论分析对于风力机而言，翼型绕流的实质为空气动力学中气体外部绕流问题[7]，如图1所示。

图中u∞表示水平方向上的自由来流速度，由于翼型的存在，使得流线在前缘附近开始发生弯曲，弯曲的流线分别经翼型上下表面至尾缘重新汇合。

翼型的存在阻碍了气流前进，或者从相对运动的观点说，气流静止而翼型以u∞速度向左运动，则气流的存在阻碍了翼型前进，该效应称为阻力效应；同时，在翼型绕流过程中，气流会对翼型产生垂直于自由来流方向上的提升作用，该效应称为升力效应。

偏航工况下风力机动态失速特性的数值模拟近年来，风力发电已成为新能源领域中的重要组成部分。

然而，在高风速和偏航工况下，风力机容易出现失速问题，影响风能的利用效率。

因此，研究偏航工况下风力机动态失速特性，对解决风力发电技术难题具有重要意义。

一、风力机动态失速特性1. 风能的基本原理风能是一种可再生的能源，其基本原理是通过把风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。

在风力机的转子上安装了叶片，当风刮过叶片时，叶片就开始旋转，并驱动发电机发电。

2. 动态失速现象当风力机受到侧向风的作用，会产生偏航现象，即转子轴线与风向不完全重合的情况。

在偏航工况下，风的作用力不再平行于转子轴线，而是形成一个夹角，使得叶片受力情况发生变化。

当夹角过大时，会导致叶片受力不平衡，使得转子失去平衡，产生动态失速现象。

3. 动态失速过程动态失速过程可以分为三个阶段：（1）准定常阶段：风力机在偏航工况下，叶片受到的风力产生一个力矩，使得转子产生一个抵抗偏移的力矩。

在这个阶段，转子会缓慢偏移，并增加旋转速度，并且叶片扭曲程度较小。

（2）早期失速阶段：当转子偏移越来越大，叶片扭曲程度也随之增加，导致失速区域的形成，这个阶段称为早期失速阶段。

（3）失速阶段：当失速区域扩大到整个叶片表面时，就会发生失速现象，失速阶段即开始。

在这个阶段，叶片会发生强烈的振动，转速迅速下降，直至降至静止。

二、数值模拟方法为了研究偏航工况下风力机动态失速特性，我们采用数值模拟方法来模拟风力机失速过程。

1. 计算模型我们采用COMSOL Multiphysics软件来建立风力机的数值模型。

模型主要包括两部分：风场和叶片。

风场部分我们采用Navier-Stokes方程计算，叶片部分则采用有限元法求解。

2. 数值计算方法我们采用显式欧拉法来求解Navier-Stokes方程，采用有限元法来求解叶片的运动方程。

为了减小时间步长，我们采用了自适应时间步长策略。

在计算过程中，我们还需要对边界条件进行处理，包括固定支撑边界条件和周期性边界条件。

转捩对风力机翼型和叶片失速特性影响的数值模拟钟伟;王同光【摘要】采用基于k-tω SST湍流模型的Gamma-Theta转捩模型对S809翼型和NREL Phase VI叶片进行了考虑转捩的气动力数值模拟,研究了转捩对其气动特性特别是失速特性的影响.首先对S809翼型在迎角0°～30°范围内开展了数值模拟,比较了转捩模拟和全湍流模拟获得的翼型升力系数和流场特征,发现前缘层流分离泡的存在显著影响了翼型的失速特性;然后对NREL Phase VI叶片开展了类似的数值模拟,结果显示转捩对叶片失速特性和翼型失速特性产生影响的作用方式是相似的.经过对以上数值模拟结果加以分析认为,转捩对翼型和叶片失速特性的影响主要通过前缘层流分离泡的作用体现出来,前缘层流分离泡的存在使翼型和叶片更早地进入深失速.%A numerical analysis for S809 airfoil and NREL Phase Ⅵ blade has been made to investigate laminar/turbulence transition effect on stall performance of wind turbine airfoils and blades. The transition prediction method is Gamma-Theta model coupled with k-w SST turbulence model. Firstly, simulations with transition prediction and full turbulence are conducted for S809 airfoil in a ran ge of angles of attack of 0° ～30°. It is showed that there is a significant impact on the airfoil's stall performance by the laminar separation bubble near leading-edge. Subsequently, a similar numerical analysis is performed for the NREL Phase Ⅵ blade. I t is found that the way of impact on stall performance of the blade is similar to that of the airfoil. For both the airfoil and blade, transition's effect on stall performance mainly depends on the existence of the laminar separation bubble near leading-edge, which makes the deep stall come earlier.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2011(029)003【总页数】6页(P385-390)【关键词】翼型;叶片;转捩;失速;数值模拟【作者】钟伟;王同光【作者单位】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,江苏南京210016;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,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】O3570 引言风力机翼型的气动特性是风力机叶片设计的基础输入参数。

水平轴风力机翼型的多学科优化设计概述说明1. 引言1.1 概述随着对可再生能源的需求日益增长，风力发电成为一种重要的清洁能源形式。

水平轴风力机作为最常见的风力发电装置之一，在其设计和优化中翼型起着关键作用。

本文将针对水平轴风力机翼型的多学科优化设计进行概述和说明。

1.2 文章结构本文共分为五个部分。

首先是引言部分，概述了文章的背景和目标，并介绍了文章的结构。

其次是正文一，介绍了风力机基本原理、翼型选择与设计要点以及多学科优化方法的相关概念。

然后是正文二，探讨了翼型气动性能分析与评估、结构强度分析与优化考虑因素以及考虑经济效益的多学科优化方法。

接下来是正文三，通过实例研究介绍了水平轴风力机翼型优化设计案例，并讨论了飞行器动态特性分析与控制策略考虑因素以及水平轴风力机可行性评估与成本效益分析方法。

最后是结论与展望部分，对整个研究进行总结，并提出了研究的局限性和进一步的研究展望。

1.3 目的本文的目的在于概述水平轴风力机翼型的多学科优化设计方法。

通过对风力机基本原理、翼型选择与设计要点以及多学科优化方法进行分析和讨论，探索提高风力机效率和经济性的可行途径。

同时，通过实例研究案例和相关考虑因素的介绍，为工程师们在实际设计中提供有益的指导和参考。

最后，通过对现有研究进行总结并展望未来发展方向，鼓励更多研究者进一步深入该领域，推动水平轴风力机技术的创新与改进。

2. 正文一：2.1 风力机基本原理风力机是利用风的动能通过翼型产生的气动力驱动发电机产生电能的装置。

其基本原理是：当空气经过翼型时，会在上下表面形成不同的压强分布，从而形成升力和阻力。

其中，升力可转化为扭矩，驱动发电机旋转；而阻力则会降低风能的转化效率。

2.2 翼型选择与设计要点翼型选择是水平轴风力机设计中的关键环节。

主要考虑以下几个方面：- 气动性能：包括升力系数、阻力系数、最大升阻比等指标，优化设计应使得这些指标达到最佳状态。

- 队列失速特性：在多个翼片构成的风力机中，为了避免部分翼片失速对整体性能造成损害，需考虑队列失速特性。