基于XFOIL的DU型风电翼型气动特性仿真分析

莫书帆

（大唐河南清洁能源有限责任公司，河南 三门峡 472000）

基于XFOIL的DU型风电翼型气动特性仿真分析

莫书帆

（大唐河南清洁能源有限责任公司，河南 三门峡 472000）

文章在分析国内外风电翼型研究现状及总结各种翼型特点的基础上，利用XFOIL软件绘制了荷兰DU93-W-210翼型外形图，并建立了该翼型的气动分析数值模型，计算了该翼型在0～20°攻角下的升力系数Cl、阻力系数Cd及力矩系数Cm等翼型气动参数，并绘制该翼型的升力、阻力系数曲线及力矩系数曲线。文章将得到的计算结果与风洞试验结果进行了比较，结果表明，攻角在0～10°时，XFOIL的计算结果与实验数据大体趋于一致，特别是对Cl的计算拟合度很好，误差在3%以内。当攻角增大到10°后，翼型进入失速发展区，计算结果开始产生较大误差。所以，在使用XFOIL软件对DU93-W-210翼型进行计算的时候，可以明显观察到失速点在攻角为10°左右的位置。根据实验结果，在当前运行环境下，建议应用该翼型的风力机在不超过10°攻角的范围内运行。

风电翼型；XFOIL；气动特性；风洞试验

人类的生存和发展离不开能源，能源问题与人类的历史演进息息相关。人类无限制地燃烧煤、石油、天然气等燃料，是产生温室效应及污染物排放的主要因素，以至于全球性的能源危机加剧并且全球环境日益恶化。为了解决化石能源带来的环境问题与实现人类未来社会的可持续发展，必须大力发展新型能源。我国地域辽阔，风力资源丰富，风力发展技术日趋成熟，并且具备了一定的规模开发条件，无疑风力发电在我国有着很大的发展空间，开发利用风力资源对于缓解能源短缺、保护生态环境具有重要意义，因此也受到了世界各国的广泛关注。

翼型的气动特性一直是风力机性能的核心问题，当前世界各国专家已意识到这一点，开始着手对风力机叶片的翼型气动特性进行建模与仿真分析。研究叶片主要是对叶片翼型的几何形状进行分析并设计出最合适的几何外形，使风力机组叶片的气动效率达到最佳状态。通常在风洞实验室对风力机翼型进行模拟，得出气动特性数据，其具有较为突出的优点，如能较准确控制实验条件，操作方便，实验结果精确度较高等，但其缺点不容忽视，即风洞实验成本高，实验周期长、灵活性能差以及易产生缩尺效应等。

XFOIL作为一个为设计和分析亚音速飞机独立翼型编写的互动式程序。它由执行各种函数的一系列菜单操作程序组成。在初步设计和定性分析阶段，XFOIL程度是一个有力的工具。基于XFOIL的数值模拟与直接的风洞实验相比较，有它的优越性：①可以真实地表现风环境的能力，将风洞中的风环境状态进行仿真和模拟；②可以构建原型尺度的计算模型，避免了风洞实验只能进行缩尺实验的不足。

本课题主要是基于XFOIL软件平台对DU型风电翼型进行气动特性仿真分析，对风力机专用翼型气动特性的优化设计进行初步的分析，为我国研究出更有利用价值的风力机翼型打下基础。

1 翼型气动特性的数值模拟

目前风力机翼型气动特性的主要评估手段是风洞试验和数值模拟。风洞试验耗时长、成本高，而数值模拟已成为重要途经和发展趋势。风电翼型的气动特性是风力发电机组风能利用效率设计和应用的基础。风力机叶片的气动特性很大程度上取决于叶片的翼剖面形状及其相对位置，这也就是说，研究叶片性能的关键在于翼剖面的气动特性分析。

在初步设计和定性分析阶段，XFOIL程度是一个有力的工具，小攻角下对于翼型升力的精确预测可采用CFD软件的RANS与适当的湍流模型方法，而对于大攻角失速情况下升阻比要借助于DES等先进流动模拟方法，才能较准确地预测。采用XFOIL软件对风力机翼型的气动特性进行研究，通过比较计算实例与实验结果，在较大攻角范围内均可取得较接近的结果，这足以说明数值模拟方法对于分析风力机翼型气动特性来说是可行的。

2 基于XFOIL软件的DU翼型建模

文章以DU93-W-210翼型为对象，用XFOIL计算结果与文献数据进行对比，并进一步研究影响风力机翼型气动特性的因素。

进入XFOIL操作环境后，首先导入要分析的翼型对应的坐标数据文件，该坐标必须要从翼型后缘点（1，0）开始，以顺时针方向经过翼型，取若干个点，最后又回到后缘点（1，0）。然后选择要进行粘性分析还是无粘性分析。在无粘性分析中，要输入来流的攻角或攻角范围；在粘性分析中，除攻角条件外还应该输入雷诺数和马赫数，计算过程才能进行。经过XFOIL计算后，输出的是翼型表面压力分布图，另外，通过相关操作可以以文本文件形式输出翼型的升力、阻力、力矩等气动特性参数。图1为 DU 93-W-210翼型模型建立。

图1 DU 93-W-210翼型模型建立

3 结语

文章通过对DU 93-W-210翼型进行建模与气动特性分析，得出了翼型升力系数、阻力系数、力矩系数等气动特性随攻角变化的规律，得出的主要结论及规律如下：

（1）雷诺数对翼型气动特性的影响。随着雷诺数的增大，翼型的失速攻角和最大升力系数也越来越大；随着雷诺数的增大，在同一攻角下，翼型DU 93-W-210升力系数的变化幅度越来越小。在攻角大于0°小于10°范围内，翼型的阻力主要取决于翼型所受的摩擦力，随着雷诺数的增大，翼型的层流分离被延迟，摩擦阻力逐渐减小。在攻角大于10°小于20°范围内，随着雷诺数增大，同一攻角下，翼型阻力系数越来越低。随着雷诺数变化，曲线趋于一致，翼型的力矩系数变化较小。

（2）翼型的升阻力特性和力矩系数特性。随着攻角增大，升力系数先增大后减少，在攻角大于0°小于10°范围内，实验所获得升阻力系数与XFOIL得出的结果比较吻合，这说明在低攻角时，XFOIL计算所得的升阻力系数与实验值算得上是趋于一致。然而，在攻角大于10°小于20°范围内，XFOIL计算结果与实验值有所偏差，具体表现为XFOIL计算的升力系数较实验值偏大，在攻角为20°时，误差达到14%，而阻力系数偏小，在攻角为20°时，误差达到56%。对于力矩系数，XFOIL计算值偏小，而力矩走向一致，具体表现为先减小后增大最后减小，而最大误差出现在攻角为18°左右，大约为57%。根据实验结果，可以观察到，该翼型失速点的位置大约在攻角为10°左右的范围，在当前实验条件下，建议应用该翼型的风力机在不超过10°攻角的范围内运行。

［1］徐大平.风力发电原理［M］.机械工业出版社，2011.

［2］唐勇.风力机翼型绕流场数值模拟及气动特性参数优化［D］.长沙：中南大学，2001.

［3］XFOIL 6.9 User Primer，Mark Drel，Harold Youngren［EB/OL］.http:// web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/xfoil_doc.txt.

［4］徐运鹏.数值风洞在山地城市规划建设中的应用［J］.重庆建筑，2012，（1）：1-2.

［5］黄继雄.风力机专用新翼型及其气动特性研究［D］.汕头：汕头大学，2001，（5）：19-20.

莫书帆，主要研究方向：风力发电。