風(fēng)機(jī)葉片升阻比計(jì)算方法的研究

閆 磊，崔 研

（華北電力大學(xué) 機(jī)械工程系，河北 保定 071003）

0 引言

目前風(fēng)力機(jī)葉片大多采用玻璃纖維復(fù)合材料，對(duì)于長(zhǎng)度較大的葉片，也可以采用碳／玻混雜復(fù)合材料。葉片的外形是由沿葉片展向的一系列翼型組成，對(duì)翼型的研究主要是尋求一種高升力、高升阻比的翼型，故首先需要找到一種獲得翼型的升力和阻力的方法，通過此方法得到葉片的氣動(dòng)參數(shù)，再根據(jù)氣動(dòng)參數(shù)建立其三維模型，通過分析軟件得到葉片受力特點(diǎn)及強(qiáng)度剛度情況，從而決定材料的選擇和材料鋪層的結(jié)構(gòu)等。

本文利用Fluent和MATLAB軟件，對(duì)翼型升力阻力系數(shù)和升阻比數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，通過曲線擬合，得到隨攻角變化的升阻比曲線。

1 風(fēng)機(jī)葉片升阻比特性

風(fēng)機(jī)葉片可以沿展向劃分為若干截面，每一個(gè)截面的外形曲線就是該位置的翼型曲線。通過獨(dú)立地研究各個(gè)截面的翼型氣動(dòng)性能，經(jīng)過整合可以得到葉片的性能參數(shù)。在葉片翼型各個(gè)氣動(dòng)參數(shù)中，升阻比是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。翼型受力示意圖如圖1所示，其中，c為來流風(fēng)速，u和v2分別為c在切向和軸向的分量，v1為風(fēng)速，α為來流角，αA為攻角，Ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，r為葉片距風(fēng)輪中心的距離，dF D和dF L分別為阻力和升力，阻力與來流風(fēng)速方向一致，升力與來流風(fēng)速相垂直，兩者的大小取決于風(fēng)速和攻角。在風(fēng)速一定的情況下，攻角直接影響了升力和阻力的情況。

由空氣動(dòng)力學(xué)理論可知，翼型氣動(dòng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為升力系數(shù)、阻力系數(shù)以及升阻比。設(shè)Cl為翼型的升力系數(shù)，Cd為翼型的阻力系數(shù)，由下式確定：其中：ρ為空氣密度。

從式（1）與式（2）可以看出，升力和阻力的大小與升力系數(shù)和阻力系數(shù)的大小成正比關(guān)系，因此研究升力系數(shù)和阻力系數(shù)的情況，同樣可以得到翼型升阻比特性。

葉片攻角同樣是一個(gè)重要參數(shù)，它決定了葉素的升力系數(shù)和阻力系數(shù)的大小。升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比的大小隨著攻角的變化而變化。在一定范圍內(nèi)升阻比越高，翼型的氣動(dòng)效率也越高，所以，需要獲得較高的升力系數(shù)和升阻比。因此，需要研究升阻特性與攻角變化之間的關(guān)系，以設(shè)計(jì)效率較高的翼型。

圖1 翼型受力示意圖

2 升阻特性的計(jì)算與分析

升阻特性的計(jì)算需要通過GA MBIT和Fluent聯(lián)合進(jìn)行。GA MBIT是流體分析前處理軟件，將翼型數(shù)據(jù)導(dǎo)入后生成翼型樣條曲線，可以通過它進(jìn)行流場(chǎng)建立、網(wǎng)格劃分和邊界條件的建立。根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，參考翼型特點(diǎn)建立流場(chǎng)，從而真實(shí)地模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行中風(fēng)流入和流出的情況，對(duì)其進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析。

首先對(duì)整個(gè)流場(chǎng)以及翼型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖2），并建立邊界條件。此計(jì)算過程選擇在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa、風(fēng)速為15 m／s、攻角為5°的情況下進(jìn)行。Fluent的作用就是求解，本文主要是針對(duì)此翼型的升力和阻力進(jìn)行的，通過軟件的迭代計(jì)算，得到了該攻角下升力、阻力系數(shù)。按同樣步驟對(duì)攻角為-5°～5°（間隔0.5°）下的升力、阻力系數(shù)進(jìn)行求解，并分別對(duì)求解的結(jié)果進(jìn)行分析。

3 升阻比數(shù)據(jù)分析

此處列舉了攻角為-5°、0°和5°情況下的升力、阻力系數(shù)的迭代計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過400次迭代，在收斂條件下，得到了各個(gè)翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，如圖3、圖4所示。通過對(duì)攻角為-5°～5°下翼型升阻系數(shù)計(jì)算，得到表1的最終結(jié)果。表2是通過PROFILI軟件得到的參考翼型升阻特性數(shù)據(jù)，用來與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖2 流場(chǎng)及翼型的網(wǎng)格劃分

圖3 升力系數(shù)迭代結(jié)果

圖4 阻力系數(shù)迭代結(jié)果

表1 計(jì)算翼型升阻特性

利用MATLAB的Cftool工具，分別將兩組數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)擬合成光滑曲線，如圖5與圖6所示，其中Cl與Cl／Cd為求得的翼型升力系數(shù)與升阻比，C′l與C′l／C′d為參考翼型升力系數(shù)與升阻比。由圖5可見升力系數(shù)隨著攻角的增大而增大，與PROFILI翼型升力系數(shù)結(jié)果相比，在10%范圍內(nèi)近似吻合。由圖6可知升阻比的變化趨勢(shì)相同，尤其是在低攻角范圍近似度較高。

表2 參考翼型升阻特性

圖5 升力系數(shù)隨攻角αA的變化曲線

4 結(jié)論

通過以上方法，可以得到葉片的氣動(dòng)參數(shù)，將氣動(dòng)參數(shù)用于風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)過程中，最終通過有限元建模和分析，得到葉片應(yīng)力、變形、屈曲、疲勞及強(qiáng)度等，通過這些參數(shù)設(shè)計(jì)葉片的蒙皮、主梁及鋪層等，針對(duì)氣動(dòng)參數(shù)與鋪層結(jié)構(gòu)選擇葉片材料，這對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)有重要的意義。

圖6 升阻比隨攻角αA的變化曲線

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