基于CFD的圆弧型风帆气动优化

基于CFD的风力发电机械结构模拟与优化一、引言随着环境保护意识的不断增强，清洁能源的重要性日益凸显。

风力发电作为一种可再生能源形式，通过利用风能将其转化为电能，成为当前最为广泛应用的清洁能源之一。

然而，在风力发电领域中，机械结构的设计和优化至关重要。

本文将介绍一种基于计算流体力学（CFD）的风力发电机械结构模拟与优化方法。

二、风力发电机械结构概述风力发电机械结构主要由风轮、发电机和传动装置组成。

风轮是将风能转化为机械转动能的关键部件，其叶片的设计和布局直接影响能量捕捉效率。

发电机则是将机械能转化为电能的关键装置，其输出功率受到多种因素的影响，如转速和负载等。

传动装置则用于将风轮的机械转动能顺利传递给发电机，同时调节转速以适应不同风速条件。

三、基于CFD的风轮流场模拟CFD是一种基于数值计算的流体力学模拟方法，能够模拟和分析流体在不同条件下的流动行为。

在风力发电机械结构中，风轮的设计和优化是重中之重。

通过CFD技术，可以对风轮的流场进行详细模拟，并优化叶片的设计。

首先，在风轮模拟中，需要确定合适的边界条件和穿越网格。

利用风洞试验得到的风速分布和风向数据，可以作为CFD模拟的边界条件。

然后，在计算网格中划分三维空间，以模拟风轮的流动行为。

接下来，进行CFD模拟计算，得到风轮的叶片表面压力分布、气流速度矢量图等重要参数。

通过分析这些参数，可以确定风轮在不同工况下的叶片受力情况和能量捕获效率。

最后，通过CFD优化算法，根据所得到的模拟结果，调整风轮的叶片设计进行优化。

例如，可以通过改变叶片的形状、切割角度、长度等参数，来提高风轮的整体效率。

CFD模拟和优化算法的迭代过程，能够帮助工程师们快速找到最优的叶片设计方案。

四、基于CFD的发电机分析与优化除了风轮的优化外，风力发电机械结构中的发电机也需要进行分析和优化。

发电机的转速、负载和温度等因素，直接影响发电效率和安全性。

通过CFD模拟，我们可以模拟发电机的热流场分布和温度变化。

基于CFD模拟的海上风力发电风轮叶片气动性能分析海上风力发电是利用海上风能转化成电能的一种清洁能源技术。

风力发电的核心是风轮叶片，叶片的气动性能对于风力发电机组的效率和稳定性具有重要影响。

本文将基于CFD模拟对海上风力发电风轮叶片的气动性能进行分析。

首先，我们将介绍CFD模拟的基本原理和方法。

CFD全称为Computational Fluid Dynamics，是一种基于数值计算的流体力学模拟方法。

通过将流体分割成小的计算单元，利用基本流体动力学方程和边界条件，模拟流体流动的过程。

CFD 模拟可以准确地预测流体流动的速度、压力、温度等参数，对于工程问题的分析和设计具有重要意义。

接着，我们将介绍风轮叶片的基本结构和工作原理。

风轮叶片由材料制成，具有承载风能和转化风能为机械能的功能。

在风流中，风轮叶片受到风力的作用而转动，驱动轴连同发电机一起转动，将机械能转化为电能。

叶片的气动性能直接影响到风力发电机组的发电效率和运行的稳定性。

接下来，我们将详细介绍CFD模拟在风力发电叶片气动性能分析中的应用。

首先，我们需要建立叶片的几何模型，并设定模拟的计算域和边界条件。

然后，选择适当的数值方法和网格划分方法，对流体流动进行数值模拟。

在模拟过程中，需要考虑到空气流动的不可压缩性、湍流等非线性特性，确保模拟结果的准确性。

在模拟过程中，我们可以通过对叶片表面压力分布的分析，评估叶片的气动性能。

压力分布可以表征叶片上不同部位的气动力大小和方向，从而分析叶片的受力情况。

此外，通过模拟计算得到的叶轮机组风速和风向，可以对风力发电机组的发电效率和输出功率进行预测。

在分析叶片气动性能时，我们还可以通过CFD模拟来研究叶片的流动分离、涡脱落等现象。

流动分离是指流体在叶片表面分离成两个或多个方向不同的流动状态，会导致叶片的气动性能下降和振动增大。

通过模拟分析，可以优化叶片的形状和结构，减小流动分离的发生。

涡脱落是指流体在叶片后缘形成的涡旋脱离叶片，会导致气动力的损失和噪声的增加。

基于CFD的风力发电机组优化设计一、引言随着可再生能源的快速发展，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，受到了广泛关注和重视。

风力发电机组作为风能利用的主要设备，其性能对发电效率和经济效益具有重要影响。

为了提高风力发电机组的效率和可靠性，基于计算流体力学（CFD）的优化设计成为了一个重要的研究方向。

二、CFD在风力发电机组设计中的应用CFD是一种利用计算机模拟流动过程中的物理现象和数学方程的方法。

它可以预测流动的速度、压力分布等参数，为风力发电机组的设计和优化提供了重要的工具。

1. 空气流动模拟在风力发电机组中，空气流动是影响叶片受力和发电效率的关键因素。

通过CFD技术，可以模拟风力发电机组叶片和气流之间的相互作用，预测叶片受力和振动情况，进而优化叶片形状和材料，提高发电效率和可靠性。

2. 流场优化CFD技术可以模拟风力发电机组周围的流场分布，预测气流速度、压力等参数。

通过优化风力发电机组的布局和方向，可以降低气流的扰动，提高发电效率。

三、CFD模拟风力发电机组优化设计的方法基于CFD的风力发电机组优化设计通常包括以下几个步骤：1. 几何建模首先，需要对风力发电机组的几何形状进行建模。

通过CAD软件或者其他建模工具，将发电机组的外形、叶片、塔筒等部件建立为三维模型。

2. 网格划分在CFD模拟中，需要将风力发电机组的模型划分为网格。

网格划分的好坏会直接影响模拟结果的准确性和计算效率。

通过合理划分网格，可以提高模拟的精度，同时控制计算资源的消耗。

3. 定义边界条件和物理模型在进行模拟之前，需要通过定义边界条件和选择适当的物理模型来规定模拟参数。

边界条件包括风速、气温、湍流强度等；物理模型则包括流体运动的方程、湍流模型等。

4. 求解流动场在CFD模拟中，通过求解Navier-Stokes方程组来计算流动场的速度、压力分布等参数。

根据模拟结果，可以获得叶片受力、振动情况等重要信息。

5. 优化设计基于CFD模拟结果，可以通过修改风力发电机组的几何形状、布局等进行优化设计。

发动机环形冷却风扇结构与参数对气动性能影响的研究上官文斌;莫伟标;署恒涛;虞宁;贺频艳;竺菲菲【摘要】基于试验测试与计算流体动力学(CFD)分析的方法,研究发动机环形冷却风扇的结构与参数对其气动性能的影响.首先对一款环形风扇和一款开口风扇进行了气动性能试验,对比分析了两者气动性能的差异.然后建立了与试验情况一致的环形风扇气动性能的计算模型,计算分析了试验的环形风扇的气动性能,并与试验结果进行了对比分析,对比结果验证了模型的正确性.使用建立的模型,分析了环形风扇的圆环结构及尺寸参数对其气动性能的变化规律的影响.分析结果表明:环形风扇的圆环采用圆角结构可提高风扇的静压效率;圆环的相对轴向尺寸参数对环形风扇的气动性能有较大的影响,每款环形风扇都有一个叶片开口率使风扇的静压效率达到最佳;而圆环的相对径向尺寸参数对环形风扇的静压效率影响较小.%Based on the experimental testing and computational fluid dynamics analysis, a study on the effect of structure and parameters of an engine annular cooling fan on its aerodynamic performance was carried out.Firstly, the measurements of aerodynamic performances of an annular fan and an ordinary fan were conducted respectively, and the performance difference between the two type of fans was analyged.According to the test conditions of aerodynamic performance of the annular fan, a calculation model was developed and used to calculate the aerodynamic performance of the tested annular fan, which was verified by comparing the measured and the calculated data.By using the calculation model, the influence of circular ring structure and dimension parameters of annular fan on its aerodynamic performance was analyged.Results show that the fillet structure of annular fan's circular ringcan improve the static pressure efficiency.The relative axial dimension parameters of the circular ring have great influence on the aerodynamic performance of the annular fan, and each annular fan has a blade exposure rate to make the static pressure efficiency achieve the best.However, the relative radial dimension parameters of the circular ring have little influence on the static pressure efficiency of the annular fan.【期刊名称】《内燃机工程》【年(卷),期】2017(038)001【总页数】7页(P56-62)【关键词】内燃机;环形风扇;计算流体动力学;气动性能;风扇性能曲线【作者】上官文斌;莫伟标;署恒涛;虞宁;贺频艳;竺菲菲【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广州 510641;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州 510641;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州 510641;宁波雪龙集团股份有限公司,宁波 315806;宁波雪龙集团股份有限公司,宁波 315806;宁波雪龙集团股份有限公司,宁波 315806【正文语种】中文【中图分类】TK414.2随着环保法规的日益严格和发动机性能的提高，对发动机冷却系统的要求越来越高。

基于CFD技术的无人帆船控帆策略研究为使无人帆船高效地利用风能，开展了无人帆船控帆策略的研究。

首先采用Computational Fluid Dynamic （CFD）技术分析帆船的帆翼的气动特性；然后以帆翼推力性能最大进行优选，得到每一航向角所对应的最佳攻角，即为理论控帆策略；最后利用试验船进行湖试试验，验证了文章控帆策略的正确性和可行性。

标签：无人帆船；风能利用；控帆策略；计算流体动力学Abstract：In order to make use of wind energy efficiently，the control strategy of unmanned sailboat is studied. Firstly，the aerodynamic characteristics of sail wing are analyzed using Computational Fluid Dynamic （CFD）technology，and then the optimal angle of attack corresponding to each heading angle is obtained by optimizing the thrust performance of sail wing，which is the theoretical sail control strategy. Finally，a lake test is carried out using the test ship to verify the correctness and feasibility of the paper sail control strategy.Keywords：unmanned sailing vessel；wind energy utilization；sail control strategy；computational fluid dynamics无人帆船作为依靠风帆动力可自主航行的新型智能水上载运工具，在水体数据采集、水面巡逻、海洋勘探等方面应用前景广阔。

基于CFD仿真的风力发电机组叶片优化设计随着对可再生能源需求的增加，风力发电在现代能源产业中占据着重要地位。

而风力发电机组的叶片作为转动能量的主要组成部分，其设计对于风力发电效率的提高至关重要。

因此，基于CFD （Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）仿真的风力发电机组叶片优化设计成为了当前研究和工程实践的热点之一。

1.概述风力发电机组通过将风能转化为机械能，再经由发电机转化为电能的过程，实现了清洁、可再生能源的利用。

在风力发电机组中，叶片作为风能转化的关键组件，其设计直接影响到发电机组的发电效率和性能。

优化叶片设计可以有效提高风能的转化效率，增加风力发电机组的发电量。

2.风力发电机组叶片设计的挑战风力发电机组叶片设计面临诸多挑战。

首先，由于风能是不稳定的，叶片需要具备良好的自适应能力以适应不同条件下的风能变化。

其次，由于风力发电机组的结构复杂、工作环境恶劣，叶片需要具备较高的强度和耐久性。

同时，为了提高叶片的发电效率，叶片的气动特性也需要得到充分的考虑。

3.CFD在叶片设计中的应用CFD是一种基于数值方法的仿真技术，通过对流动领域中各项物理方程的求解，可以较为准确地预测流场的分布和特性。

在风力发电机组叶片优化设计中，CFD技术的应用可以快速、有效地评估不同叶片设计方案的性能，并指导优化设计过程。

首先，利用CFD技术可以对叶片在不同风速下的气动特性进行模拟和分析。

通过计算流场中的风速、压力等参数，可以获得叶片的气动力，并对叶片设计进行评估和调整。

其次，CFD技术还可以模拟叶片与周围环境的相互作用。

在风力发电机组叶片设计中，考虑叶片与塔筒、浆轮等部件的相互作用对于提高效率和减少振动非常重要。

通过CFD仿真，可以定量分析叶片与周围环境的相互影响，并针对性地进行叶片结构和布置的优化设计。

最后，CFD技术还可以辅助优化叶片的材料选择和制造工艺。

通过模拟和分析叶片在不同材料和工艺条件下的性能，可以选择最佳的材料和工艺参数，提高叶片的强度和耐久性。

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。

柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine 2020 年第4 期第26 卷（总第173 期）doi：10. 3969/j. issn. 1671-0614. 2020. 04. 006基于Fluent软件的发动机冷却风扇气动性能优化栗明，刘伦伦，高建红，曾超，张鲁滨(内燃机可靠性国家重点实验室/潍柴动力股份有限公司，潍坊261061)摘要采用C型风管式台架对某发动机冷却风扇气动性能进行试验，得到了该风扇的流量、静压及静压效率的试验数据；利用Fluent软件，对风扇流场进行仿真，得到相应的仿真结果。

将仿真结果与测试数据进行对比，结果显示两者差异基本在10%以内，满足工程分析要求：根 据风扇内部流场及叶片静压分布的仿真结果，提出了风扇结构优化方案优化后的风扇静压和静压效率均有明显提升。

关键词：发动机冷却风扇Fluent软件流场Optimization of Engine Cooling Fan Air Dynamic PerformanceBased on Fluent SoftwareLI Ming,LIU Lunlun,GAO Jianhong,ZENG Chao,ZHANG Lubin(State Key Laboratory of Engine Reliability/Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang261061 ,China)Abstract：The air dynamic performance of mass flow rate,static pressure and static efficiency of an engine fan were obtained by testing with the C-type air duct system and by the simulation of fan flow field w ith the Fluent software.The difference between the simulation and test results was less than10% , which meets the engineering accuracy requirements.According to the simulation results of inner flows and pressure distributions on the fan blades,the fan structural 〇])tim ization was proposed,and the results showed that the optimized fan had higher static pressure and static efficiency.Key words：engine,cooling fan,Fluent software,flow field0 引言风扇是水冷式内燃机的重要组成部件，其消耗 的功率占发动机总输出功率的5%〜8%m。

基于飞行力学概念的海上风力发电风轮叶片气动形状优化风力发电作为一种清洁、可再生的能源来源，近年来得到了广泛的发展和应用。

在风力发电系统中，风轮叶片是风能转化为机械能的关键部件，其性能直接影响着风力发电机组的发电效率和可靠性。

本文将基于飞行力学概念，探讨海上风力发电风轮叶片气动形状的优化方法。

1. 引言风能作为一种绿色、清洁的能源资源，已经成为全球能源转型的重要方向之一。

而风力发电作为利用风能转化为电能的技术手段，多年来一直备受关注和推崇。

海上风力发电由于海上风能资源更加丰富，风力资源强度更高，冲击力更稳定等优势而备受瞩目。

2. 风力发电系统中的风轮叶片风力发电系统中，风轮叶片是将风能转化为机械能的关键部件。

它们承受着风力的冲击和惯性力的作用，需要具备良好的结构强度和气动性能。

3. 飞行力学概念在风轮叶片优化中的应用飞行力学研究了飞机和飞行器在空气中运动的力学规律。

借鉴飞行力学概念，可以有效地进行风轮叶片的气动形状优化。

3.1 升力和阻力的平衡风轮叶片在运行过程中要同时满足产生足够的升力以推动转子运转，又要尽可能减小阻力以提高发电效率。

飞行力学中的升阻比原理可以被应用于风轮叶片的气动形状设计中。

3.2 空气动力学的模拟与优化算法利用CFD（计算流体力学）等数值模拟方法，可以对风轮叶片的气动性能进行准确的仿真分析。

在此基础上，可以运用优化算法对风轮叶片形状进行优化设计，以达到最好的气动性能。

4. 海上风力发电风轮叶片气动形状优化方法基于飞行力学概念的海上风力发电风轮叶片气动形状优化，可以遵循以下步骤：4.1 定义优化目标在优化设计的初期，需要明确叶片的优化目标。

例如，最大化叶片的升力系数，最小化叶片的阻力系数，提高叶片的结构强度等。

4.2 设计参数的选择确定需要优化的叶片设计参数，例如叶片的弯曲度、扭转角、厚度分布等。

这些参数会直接影响到叶片的气动性能。

4.3 数值模拟与优化算法的选择选择合适的数值模拟方法，例如CFD等，来对叶片的气动性能进行仿真分析。

基于CFD的大型风力发电机组叶片气动性能研究盛振国;李陈峰;任慧龙;刘小龙【摘要】为了研究大型风力发电机组叶片的气动性能,提出了基于CFD技术的叶片气动性能分析方法.该方法采用RANS方程结合SST湍流模型,以实现对大型风机叶片二维翼型气动性能和三维气动性能的分析预报.在此基础上,采用二维方法分析了NACA64-618翼型-180°～180°攻角下的气动性能,获得了其失速攻角,与试验数据的比较证明了该方法的准确性；建立了2MW大型风机三维叶轮模型,采用三维方法分析了其气动性能,与GHBladed软件计算结果比较证明了三维方法的可行性.最后,对2MW风机翼型进行了优化,改善了其气动性能.研究方法对于大型风机叶片的设计,优化及新翼型的开发具有重要参考价值.%In order to research the aerodynamic performance of a large wind turbine blade, a new analysis method was proposed based on CFD technology for prediction of 2D blade and 3D blade aerodynamic performance. The a-nalysis combined a RANS equation and SST turbulence model. Using the 2D method, the aerodynamic performance of a NACA64 -618 wing type aerofoil was analyzed under the - 180?~ 180?angle of attack, and thereby the stall angle was obtained. The comparison with the test data shows that this method is accurate. Then a 3D impeller model of a 2MW big wind turbine was set up, and relevant aerodynamic performance was analyzed by the 3D method. By comparison with the result obtained by the GHBladed software, the feasibility of the 3D method was proven. Based on this finding, the 2MW wind turbine aerofoil was optimized, improving its aerodynamic performance. The research method has an importantreference value for the design and optimization of a large wind turbine blade and the development of a new aerofoil.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2012(033)005【总页数】6页(P595-600)【关键词】风电机组叶片;翼型;计算浪体力学;气动性能【作者】盛振国;李陈峰;任慧龙;刘小龙【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001;中国船级社产品设计评估中心,北京100006;哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082【正文语种】中文【中图分类】TK89随着能源和环境问题日益突出，储量丰富、无污染、可再生的风能逐渐受到人们的重视［1］.风力发电机是将风能转换为电能的机械装置，叶片是其重要组成部分.叶片以及叶轮的气动性能直接决定了风力发电机组的效率.目前，国内外有关大型风力发电机组叶片气动性能研究有风洞试验和数值模拟两种方法［2-3］.风洞试验数据可靠，但成本高、周期长，且单个获得的流场信息有限.数值模拟方面，主要借鉴螺旋桨理论，建立了经典的叶素动量理论［1］(blade element-momentum，BEM).目前大多风力机气动性能计算软件是基于叶素理论开发的，叶素理论实质上是把叶片当作标准的二维问题来处理，难以真实地反映翼型的三维旋转效应和动态失速等影响.随着计算机技术的发展以及三维湍流技术的提高，计算流体力学方法(CFD)在研究复杂流场特性中起着越来越重要的作用，但在风机气动性能研究中的应用仍处于起步阶段［4］.Sorensen等［2-3］使用不可压缩RANS方法预报了风机叶片的性能，与试验结果吻合较好.Madsen等［5］研究了偏航对气动负荷的影响.与BEM相比，CFD方法可以考虑三维旋转效应引起的失速延迟现象和动态失速的影响，直接获得翼型的三维气动特性和风轮周围详细的流场特性，尤其对于新翼型的设计，不需要经验值，即可得到功率特性.根据大型风力发电机组叶片的特点，采用CFD技术，基于RANS方法耦合SSTk-ω湍流模型，建立了风机叶片气动性能分析方法，给出了二维翼型和三维叶轮气动性能分析的网格生成、边界条件与数值求解方法等.采用本文方法对NACA64-618翼型的二维气动性能和2MW风机叶片三维气动性能进行了分析，与试验值及GHBladed软件计算结果的比较证明了有关方法的准确性，在此基础上对2MW风机翼型进行了优化，完善了其气动性能.1 风机气动性能的CFD数值模拟技术1.1 控制方程流体连续性方程和RANS方程如下:式中:ui、uj为速度时均量;为速度脉动量;ρ为密度;μ为流体粘性系数;p为压力.其中，对于二维问题，i=1，2;三维问题，i=1，2，3.由于风机叶轮为三维旋转对称结构，因此将控制方程转化到旋转坐标系下.对于静止坐标系下的描述速度场的绝对速度V与旋转坐标系下描述速度场的相对速度Vr 之间的关系如下:式中:Ω为指角速度向量(即旋转坐标系的角速度);r是旋转坐标系中的位置向量.连续性方程:动量方程:式中:τ是应力张量，它包含粘应力和湍流应力2部分.对于湍流应力项采用涡粘性进行描述，即:式中:μt为涡粘性系数，计算采用Spalart-Allmaras湍流模式.1.2 SSTk-ω湍流模型对于翼型气动性能的 CFD分析，SSTk-ω模型［6］是常用的湍流模型之一，它混合了k-ω模型和k-ε模型，使得该湍流模型同时具有了k-ε模型计算近壁面区域粘性流动的可靠性和模型计算远场自由流动的精确性.式中:Γk和Γω为扩散系数，μt为涡粘性系数，Gk和Gω为湍流产生项，Yk和Yω为湍流耗散项，α*为低雷诺数修正系数，σk和σω分别是k和ω对应的湍流普朗特数，Dω为扩散项.2 二维翼型气动性能分析风力机叶片都是三维的，但是数值计算中三维计算所需的网格数较多、占用的计算机资源较多、计算周期较长.为了计算快捷，工程中很多计算都以二维翼型为研究对象，将空间流动简化成了平面流动.2.1 二维翼型气动性能分析参数设置2.1.1 坐标系定义坐标原点角度的定义如图1所示.所有坐标以弦长为特征长度进行无量纲化，因此，翼型前端为x=－0.5，翼型后端为x=0.5.图1 坐标系的定义Fig.1 Definition of coordinates2.1.2 网格生成与控制在数值计算中，计算网格的质量直接影响到计算结果的精度和收敛性.对于二维翼型分析，采用的网格种类为多块结构化网格，网格数量控制在6× 104左右.在靠近翼型处网格适当加密，以便能够较精确的模拟壁面附近的流动.整个网格分布及翼型尾部网格放大见图2.在后缘处由于考虑强度和稳定性方面问题时，经常处理为随边厚度不为0.法;离散得到的代数方程使用Gauss-Seidel迭代求解.图2 网格划分示意Fig.2 Computational grid domain of airfoil2.2 二维翼型气动性能算例分析NACA64-618翼型是目前较为成熟的一种翼型，本文对该翼型在攻角范围－180°～180°的气动性能进行了分析，并与试验结果［7］进行了比较，如图3所示.相关计算参数为:变桨转矩中心位于0.25倍弦长处;雷诺数为3.0×106;计算条件取标准空气密度1.225 g/m3，空气运动粘性系数取1.789 4×10－5.图3 NACA64-618翼型在－180°～180°的气动特性曲线Fig.3 Aerodynamic performance of airfoil NACA64-618 at attack angle－180°～180°2.1.3 求解区域和边界条件整个计算域为进流段和去流段都为10倍弦长，而侧面为6倍弦长，具体为10L×6L×10L，其中L为弦长.边界条件为:1)进口边界条件:其速度等于来流速度，即V=V∞;2)出口边界条件:压力出口，假定压力等于大气压;3)外场边界:外场边界的设置与进口边界条件一致;4)物面条件:叶片表面设定为无滑移边界条件，即V=0.2.1.4 数值计算方法二维翼型气动性能分析通过直接求解二维粘性不可压RANS方程，微分方程的离散使用有限体积法，其中对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式;压力和速度耦合采用的SIMPLE方由于试验［7］只给出了小攻角范围内的有关升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数.从图3可以发现，当攻角较小时，翼型的升力系数随着攻角的增大而增大;攻角为14°时翼型的升力系数达到最大值，随着攻角继续增加，翼型的升力系数开始下降，而阻力系数则急剧上升，翼型的气动性能开始恶化.NACA64-618翼型在雷诺数为3.0×106时的失速攻角应该在14°附近，理论结果与试验结果吻合.分析大攻角下理论计算结果可以发现，此时的气动性能呈非定常特性.实际应用时，需要将有关气动性能在攻角度范围－180°～180°进行光顺处理，再导入GHBladed或Focus 等风机分析软件应用.阻力系数和俯仰力矩系数基本对称，存在的差异主要由于翼型有拱度，不是完全对称剖面.3 三维叶轮气动性能分析二维方法可以较快捷的计算翼型的气动性能，但是该方法无法考虑叶片的三维效应，尤其当攻角达到或超过失速攻角时，叶片表面失速旋涡具有极强的三维性，采用三维方法可以更真实地模拟流场，获得风机的气动性能.3.1 三维叶轮气动性能分析参数设置3.1.1 计算区域和网格划分整体计算域圆柱体区域，见图4.进口在风机前3.1D，出口在风机后5.168D，圆柱半径3.1D，其中为风轮直径.长度方向为X方向，向下游为正，Y方向为叶片参考线方向，半径朝外方向为正，Z方向满足右手法则.坐标原点在风轮的旋转中心，风轮截面垂直于X轴，迎着来流.计算区域整体上被分为2个子区，包围叶轮的圆饼型旋转区域和其他部分的静止区域.在静止区域主要以结构化网格进行剖分.对于旋转区域网格形式以非结构网格为主，在叶片根部、梢部及导随边进行了网格加密.图4 计算区域外围网格示意Fig.4 Computational grid domain of wind turbine blade3.1.2 边界条件和初始条件计算区域的进口为速度进口边界条件，速度值设为来流风速.在计算域的上边界也同样设为进口速度边界条件.在计算域的出口为压力出口边界条件，压力值设为环境压力.计算区域的两个侧面设为周期边界条件.叶片和轮毂表面设为不可滑移物面边界.这里不考虑地面的边界层效应，所以地面设为滑移物面边界.计算初始值全域使用统一的来流风速.3.1.3 数值计算方法控制方程采用有限体积法进行离散，离散过程为在网格单元上对控制方程实施积分从而得到离散的代数方程组.这种离散方法可以保证控制方程的守恒性，具有较高的离散精度，可以方便地处理复杂几何问题.在离散的过程中对流项使用二阶迎风格式，扩散项采用二阶中心格式，时间项采用一阶隐式格式，对于压强和速度的耦合采用SIMPLE算法.离散代数方程采用逐点Gauss-Seidel迭代法求解，并且采用代数多重网格方法加快求解的收敛速度.3.2 三维叶轮气动性能算例分析3.2.1 对象描述2MW风机叶轮的几何参数、运行参数等相关说明见表1.叶根到叶梢的翼型剖面轮廓线和三维几何造型见图5.表1 2MW风机特性描述Table1 Description of 2MW wind turbine characteristics/m 92叶片数Z 3叶根圆柱半径/m 1.2切入风速/(m·s－1) 3切出风速/(m·s－1) 25额定风速/(m·s－1) 11.7额定转速/(r·min－1) 15设计尖速比6.243风机等级 II类风机特性参数数值直径D图5 叶片的几何建模Fig.5 Geometrical modeling of wind turbine blade3.2.2 计算结果与分析基于三维方法，建立了2MW风机叶轮的气动性能分析模型，对额定风速下的流场及叶片气动性能进行了分析.图6为叶片的压力分布云图，可以发现:1)叶片迎风面所受风压为正压(压力面)，而背风面基本处于负压(吸力面).由伯努利效应得知:流速越快，压力越低;流速越慢，压力越高.因而叶片背风面风速大于迎风面风速.叶片迎风面压强高于大气压产生压力，背风面压强低于大气压产生吸力，由此对翼型产生升力，这也是叶片能够旋转的原因.2)叶片迎风面，沿着翼型曲线前缘至后缘，压力变化平缓，而背风面压力变化迅速.产生这种分布的原因是翼型截面曲率导致的，当来流流经翼型表面时，翼型几何特性引起了翼型表面来流风速的变化，因而造成了压力分布的相应变化.图6 叶片压力分布云图Fig.6 Pressure distribution on turbine blade图7为叶表面的速度矢量图，可以观察到翼型绕流现象，且背风面风速大于迎风面风速.图7 叶片速度矢量图Fig.7 velocity vector distributions on turbine blade图8为叶尖速比－风能利用系数特性，与GHBladed软件计算结果比较可以发现:两者计算结果较为接近，趋势一致，但理论值略小.这是由于本文CFD计算采用粘流RANS方程，而GHBladed软件基于叶素理论，因此在旋转方向的阻力分量的理论计算较软件大，得到转矩比软件小，因此CFD计算得到的叶片吸收功率比GHBladed计算值要小.图9为叶尖速比－推力系数特性，理论计算结果与软件计算结果相当，理论值略小，这是由于推力分量中，升力贡献占主要部分，阻力分量的差异导致软件计算结果的偏大.图8 叶尖速比-风能利用系数特性Fig.8 Characteristics of TSR-Cp为了减小尾流的诱导损失，风叶片环量的设计分布一般采用叶根和叶梢卸载，将载荷尽力均分到叶片中间区域［8］.图10为2 MW风机的叶片环量无因次化后的径向分布，它反映了叶片径向载荷的变化趋势，叶片载荷最大位置在0.4R处.从图中可以发现，2 MW风机叶片的环量分布还是比较合理的.为了将其径向环量更均匀地分布到叶片中间区域，作者调整了叶片中间区域的弦长和扭曲角，使叶片环量在中间分布得更均匀，计算结果表明优化方案在设计尖速比附近的Cp比原型提高了3%左右.图9 叶尖速比-推力系数特性图Fig.9 Characteristics of TSR～CT图10 叶片环量无因次化后的径向分布Fig.10 Distribution of circulation along radii of wind turbine blade4 结论本文基于CFD技术，建立了大型风力发电机组叶片气动性能分析方法，通过算例分析与比较，得到了以下结论:1)小攻角下的二维气动性能分析与试验结果吻合良好，大攻角下的气动性能计算结果趋势合理，证明本文建立的二维翼型气动性能分析方法是可行的，可为风机分析软件提供重要的气动输入数据;2)2MW风机叶轮的三维气动性能计算结果与GHBladed软件吻合良好，证明本文建立的三维翼型气动性能分析方法也是可行的.压力分布与速度矢量分布显示三维方法可以更真实地模拟流场，考虑叶片的三维效应.对2MW风机叶片翼型的优化，进一步体现了三维方法的优势.因此，基于CFD技术，采用RANS方程耦合SST湍流模型，预报二维和三维翼型的气动性能是可行的.本文研究成果对于大型风力发电机组叶片气动性能的设计与优化具有一定的参考价值.参考文献:【相关文献】［1］刘万馄，张志英，李银凤.风能与风力发电技术［M］.北京:化学工业出版社，2006:1-24. ［2］SORENSEN N，MICHELSEN J.Aerodynamic predictions for the unsteady aerodynamics experiment phase II rotor at the national renewable energy laboratory ［EB/OL］.［1999-01-11］./publications/files/S?rensen_AIAA1999.pdf.［3］SORENSEN N，MICHELSEN J，SCHRECK S.Navier-Stokes predictions of the NREL phase VI rotor in the NASA Ames 80-by-120 wind tunnel［C］//ASME 2002 Wind Energy 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