风机叶片小数据分析

于建国

（国华能源投资有限公司河北分公司）

风机叶片小数据分析

于建国

（国华能源投资有限公司河北分公司）

能源的巨大消耗及所带来的环境污染已是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。可靠、高效的风电系统研发已经成为新能源技术领域的热点。对风力机叶片的建模与仿真，直接关系到所开发机型的气动性，也可以提高风电场运行的效率与经济性，这对于风电的发展是至关重要的。本文以NACA23012翼型为例，应用Gambit软件建模和Fluent软件计算分析来验证模型的准确性。

风力发电；NACA23012翼型；二维建模

0 引言

能源的巨大消耗及所带来的环境污染已是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。可靠、高效的风电系统研发已经成为新能源技术领域的热点。对风力机叶片的建模与仿真，直接关系到所开发机型的气动性，也可以提高风电场运行的效率与经济性，这对于风电的发展是至关重要的。因此，对风力机叶片进行建模与仿真研究具有十分重要的意义。本课题就是在这样的基础之上提出来的。

1 本文主要研究工作

本文以NACA23012翼型为例，应用Gambit软件建模和Fluent软件计算分析来验证模型的准确性[1]。主要工作如下：

（1）建立二维模型，不断变化攻角，通过计算画出升力系数、阻力系数随攻角的变化曲线，并且导出各攻角下的压力等值线图、压力分布云图、速度等值线图、速度分布云图、速度矢量图及翼型表面压力分布坐标图。

（2）从Prof i li中导出NACA 23012翼型的升力系数及阻力系数随攻角的变化曲线，与第一步中得出的相应曲线进行比较，符合则说明建模成功。

（3）总结二维翼型在流场和功率等参数方面的数值、数据。

2 二维建模

1） 打开Prof i li，输入翼型NACA23012，输出翼型上各点的坐标，保存到txt文件，然后用Excel处理，得到翼型的三维坐标（Z坐标全部为0），再次保存到txt文件。

2）将生成的三维坐标数据文件导入到Gambit 中，将各点连接起来生成一条线。

3）创建翼型外部流场区域：在Gambit 界面工具栏Geometry 中选择点命令，输入矩形流场边界四个点 的 坐 标：（－1000，1000，0）,（－1000， －1000,0）,（5000， －1000，0），（5000，1000，0）四个点的坐标，点Apply 创建四个点。其中Z坐标要与导入的NACA23012翼型的Z坐标一致（本文都取0）。点击创建线的命令，依次选中四个点。将四个点连成一个封闭的矩形，作为外部流场的区域。

4）选择面命令，分别选中翼型以及矩形流场，创建两个面，分别为face1和face2；选择布尔运算中Substract命令，分别选中两个面，单击Apply，即可在流场面face2中去掉翼型面face1，这个是为了建立翼型外部的流场。如图1所示。

图1 翼型外部流场区域

5）网格划分：打开划分面网格的对话框，在Face中选择face1，划分的Elements 选择Quad，划分方式Type选择Pave。设置步长Internal Size=10，划分后网格如图2所示。

图2 外部流场的网格划分

6）设置边界条件：在工具栏中Operation 中选择第三个边界条件图标，在Zone 中选择Specif i c Boundary Types，在name 中输入边界的名字选择即可，具体边界条件见表1。

表1 边界条件设置

边界条件的设置是为了在导入到FLUENT 中能够正确地计算，使得模拟结果更加精确。完成了边界条件的设置之后，接下来就是要将网格文件输出，为导到FLUENT 中做准备。操作File→export→mesh…打开Export Mesh File 对话框，输入文件名NACA23012.msh，选择2-D mesh，单击Accept 即可得到将要导入Fluent 中的mesh 文件。

3 计算仿真

将保存的NACA23012.mesh 文件导入到FLUENT 中进行二维数值模拟，具体操作步骤如下。

（1）第一步：网格

1） 读 取 网 格 文 件 NACA23012.mesh：File-＞Read-＞case…

2）检查网格：Grid-＞Check，主要是检查网格的最小体积一定要大于零，否则FLUENT 无法计算；若检查出来最小体积小于零则要重新划分网格。

3）网格比例尺：Grid-＞Scale…打开比例尺设置窗口，将X 和Y 都设置为0.001，在单位转换（Unit Conversion）的窗口中网格创建于（Grid Was Created In）选项的下拉菜单中选择mm 这项，依次点击scale、change length units，最后点击close，关闭对话框即可。

4）显示网格：Display-＞Grid…保留Surfaces 选项单里的缺省选项，除了default-interior 这一项。单击display，然后会出现网格显示窗口，最后关闭对话框即可。

（2）第二步：模型

1）保留缺省的求解器设定：Def i ne-＞Models-＞Solver…，在Solver 选项下面选择Density Based，其他保留默认选项即可。

2）打 开 k-ε湍流模 型：Def i ne-＞Models-＞Viscous，在对话框中选择K-epsilon模型，其他保留默认值，点击OK 关闭即可。

（3）第三步：设置边界条件

def i ne-＞boundary conditions…在 Zone 选项里面选择Inlet-＞Set，在速度给定方式Velocity Specif i cation Method中选择给定速度大小方向垂直于边界Magnitude，Normal to Boundary 选项，将入口速度设定为额定风速10m/s，关闭窗口即可。

（4）第四步：模型求解

1）首先进行求解参数的设置：Solve-＞Controls-＞Solution， 在Discretization中 全 部 选 择second order upwind，然后关闭窗口。

2）进行流场的初始化：Solve-＞Initialize-＞Initialize…在compute from中选择inlet选项，查看各个参数是否正确，如果正确则点击Init，然后Close即可。

3）在计算过程中显示残差示意图：Solve-＞Monitors-＞Residual…在Options选框中选择Plot，以便在计算过程中显示动态残差；在Absolute Criteria ofcontinuity（绝对标准的连续性）一栏中全部填为0.0001，这个表示计算收敛时候的精度。

4）在出口处定义一个表面监控（pressure-outlet）：Solve-＞Monitors-＞Surfac，这步是为了指示 FLUENT 在解方程过程中每三次迭代过后就更新表面监控的图形和将数据写入到文件中去。界面设置如图3所示。

图3 监控界面设置

点击OK，关闭即可。

5）最后开始迭代求解，设置迭代次数：Solve-＞Iterate…，次数设为2000次，然后点击Iterate即可进行运算，如图4所示。

图4 运算残差图

结果显示，计算在1439次的时候收敛。

（5）第五步：计算结果图形显示

最后再打开图形显示，选择相应的需要观察的翼型周围的压力以及速度的分布情况。

1）Display-＞Contours…可以得到的压力等值线图、云图和速度等值线图、云图、矢量图如图5所示。

2）展示速度矢量图：Display-＞Vectors…在Scale一栏中填4来增加矢量的大小，把Skip设定为2来让矢量更适合观看，如图6所示。

3）输出翼型表面各处压力坐标图：Plot-＞XY Plot，Y Axis Function选择为Pressuer，Surfaces选择为Wall，点击Plot即可输出坐标图像。

（6）第六步：分析输出结果

从图7的压力分布坐标图中可以看出，翼型NACA23012在吸力面和压力面各有两个等压环，而且上翼面的压力明显低于下翼面，这样才能产生升力，与理论描述相一致。

图5 速度等值线图

图6 速度矢量图

图7 翼型表面压力分布坐标图

（7）第七步：同一个翼型，改变攻角

基本的步骤同上，在此就不再赘述了，只陈述结果。

15度攻角下，压力等值线图、填充的速度分布云图、速度矢量图、翼型表面压力分布坐标图分别如图8、9、10、11所示。

在速度矢量图中，我们可以看出在翼型尾部吸力面和压力面都出现了一个小的分离涡，翼型绕流流动的分离点在压力面的位置逐渐后移，整体上翼型开始失速。

图8 压力等值线图

图9 填充的速度分布云图

图10 速度矢量图

图11 翼型表面压力分布坐标图

20度攻角下，填充的压力分布云图、填充的速度分布云图、速度矢量图、翼型表面压力分布图分别如图12～15所示。

图12 填充的压力分布云图

图13 填充的速度分布云图

图14 速度矢量图

图15 翼型表面压力分布坐标图

在速度矢量图中，我们可以看出在翼型尾部吸力面和压力面都出现了一个小的分离涡，翼型绕流流动的分离点在压力面的位置逐渐后移，整体上翼型已经有明显的失速行为。

25度攻角下，填充的压力等值线图、填充的速度分布云图、速度矢量图、翼型表面压力分布图分别如图16～20所示。

图16 压力等值线图

图17 速度等值线图

图18 填充的速度分布云图

图19 速度矢量图

图20 翼型表面压力分布坐标图

在速度矢量图中，可以看出明显的涡，整体上翼型已经出现了明显的失速行为。

3.2 结果分析

在各个攻角下，升力系数和阻力系数随攻角的变化曲线如图21所示，NACA23012翼型的各参数值见表21[2]。

图21 升力系数、阻力系数随攻角的变化曲线

表2 NACA 23012翼型在各攻角下的各参数值

从Prof i li中导出的NACA23012翼型的升力系数、阻力系数随攻角的变化曲线如图22所示。

图22 NACA 23012翼型的升力系数、阻力系数随攻角的变化曲线

在各攻角下，升阻比随攻角变化曲线如图23所示。

图23 升阻比随攻角变化曲线

从Prof i li中导出的升阻比曲线如图24所示。

图24 Profili导出的升阻比

比较我们用Fluent得出的数据画出的曲线和Prof i li导出的曲线。从Prof i li中导出的是0～13°的攻角变化，比较的也是0～13°的曲线。数值基本接近，建模得到的数据比Prof i li中的稍小，但总体变化的趋势一致。攻角在0～13°变化的过程中，升阻比的变化趋势也很相近，在攻角为8～10°时达到最佳升阻比[3]。

4 结束语

本论文主要完成的是对二维叶片的气动特性的研究分析。风能作为应用潜力很大的清洁、可再生能源，已具备了与常规能源竞争的能力。另外，随着风电的高速发展，对风电的研究会越来越重要，在今后将具有广阔的发展和应用前景。风力发电在摆脱对化石能源的过度依赖、缓解中国能源紧缺、改善生态环境和扩大社会效益等方面将做出较大的贡献。

[1] 张景松, 机电与材料工程, 侯友夫, 等. 流体力学与流体机械: 流体力学[M]. 北京:中国矿业大学出版社,1993.

[2] 李军向.大型风机叶片气动性能计算与结构设计研究[D].武汉:武汉理工大学，2008.

[3] 郭新生.风能利用技术[M].北京:化学工业出版社，2007.

2017-09-17）