风力机气动性能分析虚拟仿真实验平台设计与实现

付士凤 杨华 李迺璐 朱卫军

扬州大学电气与能源动力工程学院 江苏扬州 225127

风能开发利用充分响应国家碳中和的急迫需求，风力机气动性能研究为实现风能高效捕获提供技术支撑，开展风力机气动性能实验教学，对于跨越学识基础到工程模式之间的鸿沟、培养新能源专业的应用型人才具有重要意义。目前，新能源科学与工程专业发展对风力机气动特性的实验教学需求日益迫切，然而由于资金、技术和场地等多方面制约，许多高校无法进行风力机气动性能实验教学。因此，一个同时满足实验教学和线上教学的风力机气动性能分析虚拟仿真实验平台亟须设计开发。

当前，关于虚拟仿真实验平台设计实现，部分学者借助LabVIEW平台进行拓展开发。LabVIEW平台编程直观简洁，但是运行期间内存不足现象时有发生。随着网络虚拟实验平台的发展，Unity 3D平台以其内存充足、通信良好及虚拟场景逼真等优点，逐渐被学者所青睐。基于Unity 3D所开发的虚拟仿真实验室已经在一系列高校实验教学环节中成功应用，取得了良好的反馈。笔者结合Unity 3D平台和3DMax建模软件，设计开发风力机气动性能分析虚拟仿真实验平台，并依托Web平台网站HTML5实现人机交互。为《风力机空气动力力学》《风力发电原理》等新能源专业核心课程气动性能实验教学提供有利条件。教学环节中，学生用户置身于逼真的实验场景之中，灵活学习，互动充分，兴趣十足，提高了动手实践和自主设计能力。

1 风力机气动性能原理

大型风力机气动性能分析虚拟仿真实验基于原理认知、模型试验和风洞试验，遵循从“简单到复杂”“翼型到风力机”“二维到三维”的认知规律，构建风力机认知模块、规律探究模块及实践应用模块。通过多层次设计，利用虚拟技术开发，旨在考察风力机相关原理探究、气动结构设计，总结相关规律。学生通过原理认知熟悉实验环境和工程环境，了解本虚拟仿真项目中风力机气动性能影响规律。规律探究模块中观察不同结构外形、不同攻角对翼型气动特性的影响并分析总结规律，在此基础上研究叶片附加气动结构优化设计。通过对虚拟仿真项目每个模块的操作，直观参与到风力机气动结构设计与风洞试验的各个环节，掌握《风力机空气动力学》《风力发电原理》新能源专业课程的关键知识点。

2 实验研究的实验框架及内容设计

根据学生认知规律，从原理认知和规律探究不同层面，构建实验框架和实验模块，笔者设计了两个实验阶段：实验背景与准备和实验操作与分析。实验模块涵盖六个部分，其中有实验背景、实验须知、风电工程、风力机发电的气动原理仿真、翼型气动优化设计和叶片附加结构气动优化设计。并以此基础上设计了多项实验内容，主要有影响因素体验探究、翼型气动结构探究、翼型气动设计与性能探究和格尼襟翼气动设计探究。实验框架体系层层递进，从体验、设计到实践来构建了风力机气动性能分析虚拟仿真实验系统。

3 虚拟仿真实验平台内容实现

3.1 实验场景漫游

笔者结合Unity 3D和3DMax设计开发了风力机气动性能分析虚拟仿真实验平台，仿真实验平台登录主界面和风洞实验室场景如图1所示，学生在虚拟仿真主界面输入个人信息进行登录，成功之后出现风洞实验场景，学生进行场景漫游，让学生熟悉实验环境。

图1 虚拟仿真实验主界面和风洞实验室场景(虚拟仿真实验登录界面)

正式开始实验后，学生在风洞实验室场景下，首先移步至“实验背景与准备”工作台，依次进入风力机气动特性虚拟仿真实验的实验背景、实验目的、实验流程、实验设备、视频、安全规则、预习考核七个环节，如图2所示。

图2 实验背景

3.2 实验操作与分析阶段内容实现

实验操作与分析阶段主要目的是让学生通过原理认知、规律探究等模块的实验操作，以源于风力发电的气动原理体验为切入点，通过风力机叶片翼型、附加装置的气动优化设计与分析、风力机风洞实验，开展风力机气动特性虚拟仿真实验，掌握风力机气动性能的影响因素及规律，掌握风力机气动特性的测量手段和风洞实验操作，了解三维旋转风力机的流场变化，熟悉多运行工况下的风力机三维气动性能。

3.2.1 原理认知操作台

在风洞实验室场景下，进入原理认知操作台，在风速影响界面下，学生通过鼠标拖拽进度条，调节风速大小(0～30m/s)，所给调节范围包含风力机非工作点。学生观察风速变化下风力机旋转状态和风力发电(房屋照明)变化情况，分析“风速—风功率曲线”实验结果并探索风力机工作的正常风速范围，对风力机气动性能的风速影响因素及规律建立初步认知，如图3(a)所示。

(a)风速调节实验操作

(b)叶片尺寸调节实验结果图3 风洞实验室场景原理认知操作台

风力机气动性能的影响因素和规律进行认知见图3(b)，在叶片尺寸影响界面下，学生选择不同大小的风力机，实现风力机叶片长度调节(33～80m)。观察叶片尺寸变化下的叶片长度、风轮面积和风功率变化情况，分析叶片尺寸与风功率曲线作用关系。

3.2.2 规律探究操作台

在风洞实验室场景下，进入规律探究操作台，在翼型结构探索认知界面中，如图4所示。点击“观察”和选中高亮的风力机叶片，出现三维叶片结构，学生可以随意翻动、转换视角观察三维风力机叶片。点击“叶片设计”，出现三维叶片的透视翼型组成，分别点选叶根、叶中段和叶尖三部分，出现对应二维翼型，可随便翻动进行观察。点击“三维叶片观察完毕”，进入探索认知翼型形态界面，如图5所示，学生根据画圈处提示，依次将“前缘、后缘、弦长”等10个翼型几何参数拖动到翼型结构示意图的相应位置。

图4 三维风力机叶片结构观察

图5 探索认知叶片翼型的几何参数

3.2.3 翼型设计与气动特性研究界面

图6为翼型设计与气动特性研究界面，用来探索不同外形翼型的气动特性、叶片附加气动结构，如格尼襟翼对翼型气动特性的影响及规律，掌握基于气动压力分布特性、气动升力系数、阻力系数和力矩系数的叶片气动特性分析方法，掌握气动优化设计方法，培养学生气动特性分析能力和气动优化设计能力。

图6 翼型设计与气动特性研究界面

结语

本文结合Unity 3D和3DMax软件设计开发的风力机气动性能分析虚拟仿真实验平台，通过构建实验模块，进行了风力机发电的气动原理感知仿真、翼型气动优化设计和叶片附加结构气动优化设计实验研究。得到该平台具有良好的人机交互性能和创新性，在强化学生对翼型气动特性理解、经济性、线上教学方面具有明显优势，提高了风力机空气动力学实验教学质量。通过选择对不同翼型的气动特性进行优化设计分析，观察不同结构外形、不同攻角对翼型气动特性的影响并分析总结规律，加深了学生对翼型气动特性的理解，为新能源专业核心课程“风力机空气动力力学”和“风力发电原理”实验教学创造了不受场地、时间、空间限制的条件，并为高校线上教学提供有力保障。