風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片三維模型重構(gòu)及氣動(dòng)特性分析

趙尚紅，尹喜云，戴巨川

（湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

風(fēng)電作為新能源，因其自身的清潔環(huán)保性和可持續(xù)性而有著廣闊的發(fā)展前景和提升空間。葉片是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電裝置中的關(guān)鍵部件之一，它的幾何形狀直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率、可靠性、噪聲的大小，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)過程中，為了滿足各項(xiàng)氣動(dòng)性能的要求，葉片的表面通常設(shè)計(jì)成復(fù)雜的扭曲面，整個(gè)設(shè)計(jì)過程非常復(fù)雜。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片形狀是影響其氣動(dòng)特性的關(guān)鍵因素，為了引進(jìn)和吸收先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)技術(shù)，采用反求技術(shù)對(duì)其三維幾何模型進(jìn)行反求重構(gòu)。在流體分析軟件Fluent 中對(duì)其攻角和風(fēng)速之間的流場(chǎng)情況做了仿真分析，得出了不同攻角下的流場(chǎng)情況，對(duì)相關(guān)的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了分析。

1 葉片表面的三維測(cè)量

以某公司的2kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為研究對(duì)象，采用Brown&Sharpc 公司生產(chǎn)的Brown&Sharpc GLOBAL 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）對(duì)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行三維曲面測(cè)量，測(cè)頭半徑為1mm，測(cè)量精度為1μm，測(cè)量軟件為PC-DMIS。應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面進(jìn)行三維測(cè)量之前，必須對(duì)測(cè)量路徑進(jìn)行規(guī)劃，其主要目的是：1）使測(cè)頭以盡可能短的測(cè)量路徑安全、高效地測(cè)量待測(cè)曲面；2）測(cè)量過程中測(cè)量機(jī)的測(cè)頭從上一個(gè)測(cè)量點(diǎn)移至下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)不與被測(cè)物體發(fā)生干涉，并且測(cè)量路徑應(yīng)覆蓋整個(gè)被測(cè)曲面［1］。測(cè)量路徑的規(guī)劃將直接影響測(cè)量效率和三維幾何模型重構(gòu)的精度。

為了便于測(cè)量和提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，使葉片的翼型截面垂直于y 軸放置，沿風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片徑向選取120 條截面線，各截面之間的距離Sn按葉片曲面形狀設(shè)定（5mm≤Sn≤25mm），對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的吸力面和壓力面分段測(cè)量，如圖1 所示。得到相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，格式為.PRG 類型，然后保存為.txt 格式數(shù)據(jù)以便于處理。

測(cè)量得到的數(shù)據(jù)為測(cè)量機(jī)原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)含有測(cè)量過程中軟件生成的代碼和指令，為了得到x、y、z 各軸向的空間位置數(shù)據(jù)，把.txt 格式數(shù)據(jù)存入Excel 中，進(jìn)行處理并提取出測(cè)量點(diǎn)的空間位置數(shù)據(jù)。截面曲線測(cè)量時(shí)，測(cè)頭沿x、z 向移動(dòng)，在y 向?yàn)槎ㄖ?，故測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中以點(diǎn)坐標(biāo)的y 值為判斷條件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行翼型截面的區(qū)分：設(shè)定判斷值△y=1mm，若yi+1-yi＜△y，則認(rèn)為這兩點(diǎn)在同一截面線內(nèi)；若yi+1-yi≥△y，則認(rèn)為這兩點(diǎn)不在同一截面線內(nèi)，由此分出120 組曲線點(diǎn)，然后保存為.ibl 格式數(shù)據(jù)。

圖1 葉片測(cè)量

圖2 測(cè)量時(shí)的空間坐標(biāo)

2 實(shí)體建模

2.1 Pro/E 中建立翼型截面曲線

在軟件中執(zhí)行命令：新建→曲線→自文件→完成。然后選擇.ibl 格式數(shù)據(jù)類型導(dǎo)入，得到原始的截面曲線。

由于測(cè)量中存在的各種因素影響，導(dǎo)致所得到的數(shù)據(jù)會(huì)有一定的誤差，同一個(gè)截面上測(cè)量得到的數(shù)據(jù)會(huì)有微小的浮動(dòng)，通過已測(cè)截面曲線上的一點(diǎn)創(chuàng)建垂直于y 軸的參考面，共創(chuàng)建120 組參考面。原始數(shù)據(jù)投影到參考面上得到新的曲線，然后對(duì)新的曲線各向內(nèi)偏移1mm 以補(bǔ)償測(cè)頭半徑造成的測(cè)量誤差（Pro/E 中曲線偏移沿著點(diǎn)在曲線中的法向偏移）。最后連接成新的封閉的翼型截面曲線。

2.2 實(shí)體創(chuàng)建

測(cè)量出各個(gè)截面之間的距離并記錄，然后通過：插入→混合→伸出項(xiàng)（平行、規(guī)則截面、草繪截面）→完成→光滑→完成→選取初始截面→正向→缺省→使用命令［2］。

再依次選取每個(gè)截面的曲線，之后輸入截面之間的距離，就可得到光滑的葉片實(shí)體模型，而不會(huì)出現(xiàn)表面扭曲現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖3 葉片三維實(shí)體模型

3 CFD 仿真計(jì)算分析

3.1 網(wǎng)格劃分

風(fēng)輪半徑為1.5m，輪轂半徑為0.1m，葉片有效長(zhǎng)度為1.4m，選取位于葉片展長(zhǎng)66.7%處距葉根1m 的翼型截面作為分析對(duì)象。在Pro/E中另存為.stp 格式文件，在彈出的輸入面板中勾選線框邊、基準(zhǔn)線和點(diǎn)兩個(gè)選項(xiàng)。在Gambit 里采用四邊形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格局部放大如圖4。

圖4 翼型網(wǎng)格局部放大圖

3.2 氣動(dòng)特性分析

表1 相關(guān)氣動(dòng)參數(shù)

將網(wǎng)格導(dǎo)入流體分析軟件Fluent 中，模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)條件的設(shè)定：設(shè)定速度入口，大小為10 m/s；選擇壓力出口；理想流體無黏模型（Inviscid）；理想無黏不可壓縮氣體（100m/s 以下）密度為1.225 kg/m3；壓力速度耦合：SIMPLE Standard Second Order Upwind；不考慮重力影響［3］。通過改變攻角α 值設(shè)計(jì)6 組仿真實(shí)驗(yàn)，得到不同攻角情況下翼型的相關(guān)氣動(dòng)特性參數(shù)如表1。

流場(chǎng)入口設(shè)定風(fēng)速為10m/s 時(shí)，翼型的相關(guān)氣動(dòng)參數(shù)隨攻角的變化關(guān)系如圖5、圖6 所示。

由圖5～6 和表1 中數(shù)據(jù)表明，升力系數(shù)會(huì)在某一確定攻角時(shí)最大，阻力系數(shù)會(huì)隨著攻角的增大而有增大的趨勢(shì)，葉片設(shè)計(jì)時(shí)一般不選取最大升力或者最大升力系數(shù)時(shí)的攻角，而是選取升阻比最大時(shí)的攻角作為最佳設(shè)計(jì)攻角，由仿真數(shù)據(jù)得出本文所選翼型最佳攻角在5°左右。

流場(chǎng)入口風(fēng)速為10m/s 時(shí)，其中兩組攻角下的壓力云圖對(duì)比如圖7 所示。

翼型設(shè)計(jì)中通常上緣比下緣要長(zhǎng)，當(dāng)空氣的流速小于0.3 馬赫時(shí)可以認(rèn)為空氣是不可壓縮的理想流體，由流體流動(dòng)的連續(xù)性原理（質(zhì)量守恒定律）和伯努利原理知道，流經(jīng)質(zhì)量不變，流線越長(zhǎng)，流速越大，壓強(qiáng)越小。對(duì)翼型而言，空氣流經(jīng)上緣時(shí)流速較流經(jīng)下緣時(shí)快，對(duì)上緣產(chǎn)生的壓力較小而形成吸力面，對(duì)下緣產(chǎn)生壓力較大而形成壓力面，上下面的壓力差就形成了翼型的升力。

圖5 升、阻力系數(shù)與攻角的關(guān)系

圖6 升阻比與攻角的關(guān)系

圖7 不同攻角時(shí)的壓力云圖

由仿真壓力云圖可以明顯看出，翼型壓力面的壓力中心主要在翼型的下緣靠近前端，而吸力面的負(fù)壓中心在翼型上緣也靠近前端，兩中心位置上下并未對(duì)齊。圖7（b）中形成了兩個(gè)負(fù)壓中心，是由于攻角過大，使得風(fēng)流經(jīng)翼型上緣時(shí)發(fā)生剝離，形成漩渦所致，由速度云圖和速速矢量圖可以清楚地看到。

流場(chǎng)入口風(fēng)速為10 m/s 時(shí)，其中兩組攻角下的速度云圖如圖8 所示。由速度云圖8 中可以看出攻角不同，流場(chǎng)也在變化，攻角在小范圍變化時(shí)，流場(chǎng)雖然變化，但仍處于穩(wěn)定，當(dāng)攻角變化到一定程度時(shí)，空氣流體出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，甚至在翼型尾部出現(xiàn)渦流如圖8（b）所示。這也是壓力云圖中出現(xiàn)負(fù)壓的原因。

圖8 不同攻角下的速度云圖

流場(chǎng)入口風(fēng)速為10 m/s 時(shí)，其中兩組攻角下的速度矢量圖如圖9 所示。這兩組速度矢量圖更清晰地表示了流場(chǎng)的流動(dòng)情況，由圖9（a）和圖9（b）可以清楚地看到不同的攻角下，流質(zhì)流經(jīng)翼型的情況。圖9（a）圖中出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象，圖9（b）圖中不但出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象，而且在翼型末端出現(xiàn)嚴(yán)重的渦流，這些情況對(duì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響。應(yīng)減輕或者消除這些情況的發(fā)生，進(jìn)而提高葉片的氣動(dòng)性能，所以葉片氣動(dòng)外形的設(shè)計(jì)要求每個(gè)翼型面在額定風(fēng)速下具有合理的攻角。

圖9 速度矢量圖

4 結(jié)論

為獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的三維幾何模型，采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)葉片表面進(jìn)行測(cè)量，獲取了葉片表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用MATLAB 軟件對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分組處理及點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。通過Pre/E 軟件進(jìn)行曲線擬合及實(shí)體造型，重構(gòu)出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的三維幾何模型，并對(duì)葉片設(shè)計(jì)中的攻角參數(shù)進(jìn)行了二維翼型仿真分析，得到了該葉片翼型相關(guān)的氣動(dòng)特性參數(shù)，研究了攻角與升力系數(shù)、阻力系數(shù)以及升阻比之間的關(guān)系，得到了不同攻角下流場(chǎng)的壓力和速度的分布及變化情況，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)分析，為三維整機(jī)仿真分析提供參考。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維測(cè)量，基于測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體建模，然后再進(jìn)行仿真分析，不僅可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行性能的驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上還可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有一定的工業(yè)實(shí)際意義。

［1］金永平，劉德順，等.礦用軸流通風(fēng)機(jī)葉片三維幾何模型反求重構(gòu)［J］.現(xiàn)代制造工程，2011（11）：24-27.

［2］崔彥彬，姚志崗.基于Pro/E、Fluent 軟件的風(fēng)機(jī)葉片造型及分析［J］.礦山機(jī)械，2009，30（2）：191-193.

［3］韓占忠.FLUENT-流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與分析［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.