基于CFD方法的风力机翼型数值模拟

基于CFD方法的竖轴叶轮性能模拟及翼型优化的开题报告

基于CFD方法的竖轴叶轮性能模拟及翼型优化的开题报告1. 研究背景和意义竖轴叶轮是一种新型的风能发电设备，与传统的水平轴叶轮相比，具有结构简单、工作可靠、低风速启动等优点，适用于城市和山区的小型风力发电。

但是竖轴叶轮设计复杂，效率低下，容易受到风向和风速变化的影响。

因此，如何提高竖轴叶轮的性能，实现能量的最大化利用，成为目前研究的热点之一。

CFD方法能够利用计算流体力学模拟流体的运动和变化，可以对竖轴叶轮的性能进行模拟和优化。

2. 研究内容和方法本文拟采用CFD方法对竖轴叶轮的流场进行模拟，利用商用软件ANSYS Fluent进行数值模拟，通过对竖轴叶轮的翼型和叶片的结构进行优化，以提高竖轴叶轮的效率和能量输出。

具体研究内容和方法如下：（1）建立竖轴叶轮的三维模型，包括叶片、驱动轴等组成部分；（2）确定边界条件和物理参数，建立数值模型；（3）对竖轴叶轮的流场进行数值模拟，得到竖轴叶轮的性能参数，如功率输出、扭矩、效率等指标；（4）对竖轴叶轮的翼型进行优化，采用改变叶片的厚度、弯曲度等参数，以提高竖轴叶轮的效率；（5）对竖轴叶轮的叶片结构进行优化，采用改变叶片宽度、长度、角度等参数，以提高竖轴叶轮的效率和稳定性；（6）通过对竖轴叶轮的数值模拟和优化，得到其最佳的设计参数，提高竖轴叶轮的性能和能量输出。

3. 预期成果本研究旨在利用CFD方法对竖轴叶轮的性能进行模拟和优化，预期研究成果如下：（1）建立竖轴叶轮的三维模型和数值模型，对竖轴叶轮的流场进行了分析和研究；（2）对竖轴叶轮的翼型和叶片结构进行了优化，提高了叶轮的效率和能量输出；（3）通过对竖轴叶轮的数值模拟和优化，得到其最佳的设计参数，提高竖轴叶轮的性能和能量输出。

4. 研究难点和解决方案本文研究难点主要有两个方面：（1）竖轴叶轮的结构复杂，需要建立精细的三维模型和数值模型，同时对物理参数和边界条件进行合理确定，并进行有效的计算和分析。

解决方案：本文将采用ANSYS Fluent商用软件进行数值模拟，并利用现有的竖轴叶轮的三维模型进行建模，通过对模型的优化和分析，得到最优的设计方案。

基于CFD的风力发电机械结构模拟与优化

基于CFD的风力发电机械结构模拟与优化一、引言随着环境保护意识的不断增强，清洁能源的重要性日益凸显。

风力发电作为一种可再生能源形式，通过利用风能将其转化为电能，成为当前最为广泛应用的清洁能源之一。

然而，在风力发电领域中，机械结构的设计和优化至关重要。

本文将介绍一种基于计算流体力学（CFD）的风力发电机械结构模拟与优化方法。

二、风力发电机械结构概述风力发电机械结构主要由风轮、发电机和传动装置组成。

风轮是将风能转化为机械转动能的关键部件，其叶片的设计和布局直接影响能量捕捉效率。

发电机则是将机械能转化为电能的关键装置，其输出功率受到多种因素的影响，如转速和负载等。

传动装置则用于将风轮的机械转动能顺利传递给发电机，同时调节转速以适应不同风速条件。

三、基于CFD的风轮流场模拟CFD是一种基于数值计算的流体力学模拟方法，能够模拟和分析流体在不同条件下的流动行为。

在风力发电机械结构中，风轮的设计和优化是重中之重。

通过CFD技术，可以对风轮的流场进行详细模拟，并优化叶片的设计。

首先，在风轮模拟中，需要确定合适的边界条件和穿越网格。

利用风洞试验得到的风速分布和风向数据，可以作为CFD模拟的边界条件。

然后，在计算网格中划分三维空间，以模拟风轮的流动行为。

接下来，进行CFD模拟计算，得到风轮的叶片表面压力分布、气流速度矢量图等重要参数。

通过分析这些参数，可以确定风轮在不同工况下的叶片受力情况和能量捕获效率。

最后，通过CFD优化算法，根据所得到的模拟结果，调整风轮的叶片设计进行优化。

例如，可以通过改变叶片的形状、切割角度、长度等参数，来提高风轮的整体效率。

CFD模拟和优化算法的迭代过程，能够帮助工程师们快速找到最优的叶片设计方案。

四、基于CFD的发电机分析与优化除了风轮的优化外，风力发电机械结构中的发电机也需要进行分析和优化。

发电机的转速、负载和温度等因素，直接影响发电效率和安全性。

通过CFD模拟，我们可以模拟发电机的热流场分布和温度变化。

CFD计算模拟在风力发电机组中的应用

CFD计算模拟在风力发电机组中的应用随着经济的快速发展和环境保护意识的觉醒，风力发电作为一种可再生能源，已经逐渐成为了近年来发展最快的清洁能源之一。

然而，如何提高风电系统的效率，降低能源成本成为了风电工业发展中的一大难题。

众多的风电机组直接依赖气象特征所带来的风向、风速等条件，这些都与研究风力发电机组定制化设计有关。

因此，大规模风电发电及提高其效率就是一个需要长期探索的实际问题，这也就催生了CFD数值模拟在风力发电机组中的应用。

一、CFD数值模拟概述计算流体力学（CFD）是利用数值方法和计算机仿真技术对物理问题进行模拟和计算的一种科学方法。

而CFD数值模拟通常采用数学模型解决物理问题，并且基于数学表达式和计算机仿真技术进行计算，因而对流量、速度、压力等物理量的变化拥有更为细致的分析。

在风力发电机组中，CFD数值模拟技术被广泛应用在改进风机翼型、提高机翼空间尺寸和优化排列机组中。

CFD数值模拟技术本身具有计算精度高、可逆性强、计算成本低等优点。

同时在工业领域中，CFD数值模拟已成为基础研究的重要方法之一。

二、风力发电机组CFD数值模拟的应用1.优化风机翼型设计风机叶片设计的关键因素是气动性能分析，包括风机的空气动力特性和结构特性。

在这方面，CFD数值模拟技术可以通过建立在数学模型上的理论模型，对风机羽片进行分析。

在风能装置的设计过程中，风机羽片的主要考虑方向是在满足一定风量前提下，风机的效率要尽量提高。

基于CFD技术的建模和仿真方法，研究风机羽片的气流特性、流线形式、压力平衡等问题。

同时，也能通过优化和调整叶片的形状，改变气动参数分布，来实现对风机效率和性能的提升。

2.完善风能装置排列风能装置的排列对风能转换系数和效率有较大影响。

因此，针对风能转换设备的排列结构进行模拟和分析，应用CFD技术进行预判、设计、验证是非常有必要的。

CFD在风电机组模拟中的数学模型可以基于推动和旋转等变量，对定制化器械群的设计和排列方式进行仿真，进一步分析流场的分布情况以及机群相互干扰的影响等。

基于CFD模拟的海上风力发电风轮叶片气动性能分析

基于CFD模拟的海上风力发电风轮叶片气动性能分析海上风力发电是利用海上风能转化成电能的一种清洁能源技术。

风力发电的核心是风轮叶片，叶片的气动性能对于风力发电机组的效率和稳定性具有重要影响。

本文将基于CFD模拟对海上风力发电风轮叶片的气动性能进行分析。

首先，我们将介绍CFD模拟的基本原理和方法。

CFD全称为Computational Fluid Dynamics，是一种基于数值计算的流体力学模拟方法。

通过将流体分割成小的计算单元，利用基本流体动力学方程和边界条件，模拟流体流动的过程。

CFD 模拟可以准确地预测流体流动的速度、压力、温度等参数，对于工程问题的分析和设计具有重要意义。

接着，我们将介绍风轮叶片的基本结构和工作原理。

风轮叶片由材料制成，具有承载风能和转化风能为机械能的功能。

在风流中，风轮叶片受到风力的作用而转动，驱动轴连同发电机一起转动，将机械能转化为电能。

叶片的气动性能直接影响到风力发电机组的发电效率和运行的稳定性。

接下来，我们将详细介绍CFD模拟在风力发电叶片气动性能分析中的应用。

首先，我们需要建立叶片的几何模型，并设定模拟的计算域和边界条件。

然后，选择适当的数值方法和网格划分方法，对流体流动进行数值模拟。

在模拟过程中，需要考虑到空气流动的不可压缩性、湍流等非线性特性，确保模拟结果的准确性。

在模拟过程中，我们可以通过对叶片表面压力分布的分析，评估叶片的气动性能。

压力分布可以表征叶片上不同部位的气动力大小和方向，从而分析叶片的受力情况。

此外，通过模拟计算得到的叶轮机组风速和风向，可以对风力发电机组的发电效率和输出功率进行预测。

在分析叶片气动性能时，我们还可以通过CFD模拟来研究叶片的流动分离、涡脱落等现象。

流动分离是指流体在叶片表面分离成两个或多个方向不同的流动状态，会导致叶片的气动性能下降和振动增大。

通过模拟分析，可以优化叶片的形状和结构，减小流动分离的发生。

涡脱落是指流体在叶片后缘形成的涡旋脱离叶片，会导致气动力的损失和噪声的增加。

基于CFD的风力发电机组优化设计

基于CFD的风力发电机组优化设计一、引言随着可再生能源的快速发展，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，受到了广泛关注和重视。

风力发电机组作为风能利用的主要设备，其性能对发电效率和经济效益具有重要影响。

为了提高风力发电机组的效率和可靠性，基于计算流体力学（CFD）的优化设计成为了一个重要的研究方向。

二、CFD在风力发电机组设计中的应用CFD是一种利用计算机模拟流动过程中的物理现象和数学方程的方法。

它可以预测流动的速度、压力分布等参数，为风力发电机组的设计和优化提供了重要的工具。

1. 空气流动模拟在风力发电机组中，空气流动是影响叶片受力和发电效率的关键因素。

通过CFD技术，可以模拟风力发电机组叶片和气流之间的相互作用，预测叶片受力和振动情况，进而优化叶片形状和材料，提高发电效率和可靠性。

2. 流场优化CFD技术可以模拟风力发电机组周围的流场分布，预测气流速度、压力等参数。

通过优化风力发电机组的布局和方向，可以降低气流的扰动，提高发电效率。

三、CFD模拟风力发电机组优化设计的方法基于CFD的风力发电机组优化设计通常包括以下几个步骤：1. 几何建模首先，需要对风力发电机组的几何形状进行建模。

通过CAD软件或者其他建模工具，将发电机组的外形、叶片、塔筒等部件建立为三维模型。

2. 网格划分在CFD模拟中，需要将风力发电机组的模型划分为网格。

网格划分的好坏会直接影响模拟结果的准确性和计算效率。

通过合理划分网格，可以提高模拟的精度，同时控制计算资源的消耗。

3. 定义边界条件和物理模型在进行模拟之前，需要通过定义边界条件和选择适当的物理模型来规定模拟参数。

边界条件包括风速、气温、湍流强度等；物理模型则包括流体运动的方程、湍流模型等。

4. 求解流动场在CFD模拟中，通过求解Navier-Stokes方程组来计算流动场的速度、压力分布等参数。

根据模拟结果，可以获得叶片受力、振动情况等重要信息。

5. 优化设计基于CFD模拟结果，可以通过修改风力发电机组的几何形状、布局等进行优化设计。

基于CFD方法的风力机翼型数值模拟

［中图分类号］ＴＫ８３［文献标识码］Ａ［文章编号］１０００．３９８３－（２０１３）０４－００６１－０４
ＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅＡｉｒｆｏｉｌＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＣＦＤＬＩＪｕｎ．ＳＯＮＧＷｅｒｄｏｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００４０，Ｃｈｉｎａ）
大电机技术
６１
基于ＣＦＤ方法的风力机翼型数值模拟
李瑁，宋文龙（东北林业大学机电工程学院，哈尔滨１５００４０）
［摘要】本文基于计算流体力学对风机￥８０９翼型流体动力特性进行了数值模拟，计算了不同湍流模型下压
装机将达到４．５亿千瓦，２０２０年将达到ｌ０亿千瓦【３ｊ。我国风能资源储量丰富。中国气象局第四次全国风能资
源详查与评估显示，我国陆上距地５０ｍ高度达到３级以上风能资源的潜在开发量约２３．８亿千瓦；５－２５ｍ￣深线以内近海区域５０ｍ高度可装机容量约２亿千瓦。风能
ｂａｓｅｄｏｎＣＦＤ．Ｉｔｓｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆ６ｃ－ｉｅｎｔｗｉｔｈｄｉｆｅｒｅｎｔｔｒｂｕｌｅｕｎｃｅｍｏｄｅｌｉｎｇｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃｌａｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔａｌｄａｔａ．ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｉｔｏｎｄａｔａｏｆＣＯＳＳＴｍｏｄｅｌｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｒｅｕｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｗｉｔｈｉｆｅｄｒｅｔｎｉｎｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｗａｓｃｏｍｐｒｅａｄ．ｔｈｅｒｅｓｌｔｕｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｈａｓｎｏｏｂｖｉｏｕｓｅｆｆｅｃｔｏｎｓｕｒｆａｃｅｐｒｅｓｓｒｅｕｃｏｅｍｃｉｅｎｔ．ＴｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｐｒｏｖｉｄｅｓｎａｅｆｅｃｔｉｖｅＷａｙｔｏｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅａｅｒｏｄｎａｙｍｉｃｃｈｒａａｃｔｅｉｓｒｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：、 Ⅳ ｉｌｌｄｔｕｒｂｉｎｅ；ａｉｒｆｏｉｌ；ｎｍｅｕｉｃｒｌａｃｌｃａｕｌａｔｉｏｎ；ＣＦＤ刖吾

水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟

水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟1. 背景介绍水平轴风力机是一种利用风能转换成机械能或电能的装置，叶片是风力机的核心部件之一。

然而，叶片在运行过程中容易受到恶劣天气条件的影响，其中之一就是翼型结冰。

翼型结冰会导致叶片表面粗糙，减小气动性能，增加振动噪音，甚至影响风力机的安全运行。

对水平轴风力机叶片翼型结冰进行数值模拟分析具有重要意义。

2. 数值模拟的基本原理数值模拟是利用计算机对复杂的物理现象进行仿真和分析的方法。

在水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟中，一般采用计算流体力学（CFD）方法。

通过建立包括风场、湍流模型、叶片几何形状、冰的增长模型等在内的数学模型，可以对翼型结冰过程中的流场和热传递进行准确地描述和模拟。

3. 翼型结冰的影响翼型结冰对水平轴风力机叶片的影响是多方面的。

翼型结冰会改变叶片的气动外形，导致风力机的输出功率减小。

由于结冰表面粗糙，会增加叶片的阻力和湍流损失，使得风力机转速不稳定，产生振动和噪音。

严重的结冰会导致叶片失速，甚至引发风力机事故，危及人身和设备安全。

4. 数值模拟分析在进行水平轴风力机叶片翼型结冰的数值模拟分析时，需要考虑的因素很多。

要建立适合叶片几何形状和结冰过程的网格模型，并选择合适的流体模型和湍流模型。

需要考虑风速、气温、湿度等环境条件对结冰过程的影响。

还需要对结冰过程中的热传递进行细致的模拟，以确定结冰的位置、厚度和形状。

5. 结果分析通过数值模拟分析，可以得到水平轴风力机叶片翼型结冰的分布情况和严重程度，进而评估结冰对风力机性能和安全性的影响。

在实际工程中，可以根据数值模拟结果制定相应的结冰防护措施，如采取加热、喷雾等措施防止结冰的发生。

6. 个人观点从事水平轴风力机叶片翼型结冰数值模拟研究多年，我认为这一研究领域具有重要的理论和实际意义。

通过数值模拟，可以深入了解结冰过程中的复杂流场和热传递特性，为有效防治叶片结冰提供科学依据。

数值模拟还可以帮助工程师设计更可靠、更安全的风力机叶片，提高其性能和可靠性。

基于CFD仿真的风力发电机组叶片优化设计

基于CFD仿真的风力发电机组叶片优化设计随着对可再生能源需求的增加，风力发电在现代能源产业中占据着重要地位。

而风力发电机组的叶片作为转动能量的主要组成部分，其设计对于风力发电效率的提高至关重要。

因此，基于CFD （Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）仿真的风力发电机组叶片优化设计成为了当前研究和工程实践的热点之一。

1.概述风力发电机组通过将风能转化为机械能，再经由发电机转化为电能的过程，实现了清洁、可再生能源的利用。

在风力发电机组中，叶片作为风能转化的关键组件，其设计直接影响到发电机组的发电效率和性能。

优化叶片设计可以有效提高风能的转化效率，增加风力发电机组的发电量。

2.风力发电机组叶片设计的挑战风力发电机组叶片设计面临诸多挑战。

首先，由于风能是不稳定的，叶片需要具备良好的自适应能力以适应不同条件下的风能变化。

其次，由于风力发电机组的结构复杂、工作环境恶劣，叶片需要具备较高的强度和耐久性。

同时，为了提高叶片的发电效率，叶片的气动特性也需要得到充分的考虑。

3.CFD在叶片设计中的应用CFD是一种基于数值方法的仿真技术，通过对流动领域中各项物理方程的求解，可以较为准确地预测流场的分布和特性。

在风力发电机组叶片优化设计中，CFD技术的应用可以快速、有效地评估不同叶片设计方案的性能，并指导优化设计过程。

首先，利用CFD技术可以对叶片在不同风速下的气动特性进行模拟和分析。

通过计算流场中的风速、压力等参数，可以获得叶片的气动力，并对叶片设计进行评估和调整。

其次，CFD技术还可以模拟叶片与周围环境的相互作用。

在风力发电机组叶片设计中，考虑叶片与塔筒、浆轮等部件的相互作用对于提高效率和减少振动非常重要。

通过CFD仿真，可以定量分析叶片与周围环境的相互影响，并针对性地进行叶片结构和布置的优化设计。

最后，CFD技术还可以辅助优化叶片的材料选择和制造工艺。

通过模拟和分析叶片在不同材料和工艺条件下的性能，可以选择最佳的材料和工艺参数，提高叶片的强度和耐久性。

基于优化CFD模型的风电场风速数值模拟

基于优化CFD模型的风电场风速数值模拟随着风力发电技术的不断发展，风电场规模也不断扩大。

如何保证风电机群的使用效率，必须解决风电场中的复杂流动问题。

CFD模型是一种有效的工具，可以模拟风电场中的流体力学现象。

但是，CFD模型的准确性和稳定性直接影响模拟结果的质量。

因此，本文将介绍优化CFD模型的方法，从而提高风电场风速数值模拟的准确性和稳定性。

一、优化网格划分网格划分是CFD模型的基础，影响着数值模拟的准确性和计算效率。

为了优化数值模拟的精度，需要选用合适的网格类型和网格密度。

常用的网格类型有结构化网格和非结构化网格。

结构化网格具有规则性和可重复性，非结构化网格适用于复杂几何形状。

在选取网格类型的同时，也需要考虑网格密度。

网格密度过大会导致计算机计算速度变慢，网格密度过小会导致模拟失真。

为了优化网格密度，可以使用网格适应性控制方法。

这种方法可以根据物理特性的变化，自动调整网格密度。

比如，在翼型处可以设置网格密度更高，以保证更为准确的数值模拟。

二、选择适当的边界条件CFD模型的边界条件对数值模拟的准确性影响极大。

在风电场风速数值模拟中，常用的边界条件有扰动入流边界条件和周期性边界条件。

扰动入流边界条件是指在计算域的入口处设置扰动，以便更真实地模拟入口流动情况。

周期性边界条件在同一方向上相反的边界处设置，可以减小计算区域，同时也能减少数值误差。

除了边界条件，流体介质的物理特性也需要被考虑。

比如，颗粒浓度、温度和化学成分等，都会影响流体的流动特性。

因此，在建立CFD模型时，需要根据实际情况选择适当的物理参数，以保证模拟结果的准确性。

三、选取适当的模型在CFD模型中，流动模型（如雷诺平均方程模型和湍流模型）是常用的模拟方法。

不同的模型适用于不同的情况。

比如，在低速气流中，雷诺平均方程模型可以具有很好的效果。

但在高速气流中，湍流模型更能反映流动现象。

因此，需要选取适当的模型以满足模拟的需要。

四、提高模拟的并行化程度CFD模拟计算过程中，由于计算量大，需要使用高性能计算机来提高计算效率。

基于CFD技术的风机翼型多目标优化设计

应用到指定翼型的气动性能求解中，而没有系统地在优化设计中得到应用。如何进一步扩宽ＣＦＤ在风机翼型优化中的应用，使得工程设计工作由依靠经验模式转化为依靠知识化模式，是当下对翼型优化研究的一个重点内容。
在船舶设计行业，近些年兴起了一种基于知识化的设计模式，被称为ＳＢＤ（ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＢａｓｅｄＤｅｓｉｇｎ）技术【５～。该技术基于优化设计平台，在设计空间内获取不同的设计参数组合，并由此参数化改变船舶外形，利用ＣＦＤ对目标函数进行对比评估，以获得最优船舶外形。ＳＢＤ技术原理如图１所示。
研究与
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－９４９２．２０１８．０１．０１４
基于ＣＦＤ技术的风机翼型多目标优化设计书
潘洋洋，林瑞霖，刘伯运
（海军工程大学动力工程学院，湖北武汉４３００３３）
摘要：以轴流风机翼型为研究对象，基于ＣＦＤ技术，建立了一套多目标优化设计系统，对翼型进行优化以提高其气动性能。借
随着计算机技术及数值计算理论的快速发展，计算流体动力学（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍ— ｉｃｓ，ＣＦＤ）得到了广泛的应用。在设计开发过程中
采用ＣＦＤ技术，能够有效降低成本，提高效。在风机翼型优化设计领域，ＣＦＤ一般被直接
Ｍｕｌｔｉ－ＯｂｊｅｃｔｉｖｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＡｉｒｆｏｉｌｏｆＦａｎＢａｓｅｄｏｎＣＦＤ
ＰＡＮＹａｎｇ—ｙａｎｇ，ＬＩＮＲｕｉ—ｌｉｎ，ＬＩＵＢｏ－ｙｕｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｖａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ４３０００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄＯｎＣＦＤ，ａｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅ

基于CFD技术的风力机r叶片翼型气动特性模拟计算

基于CFD技术的风力机r叶片翼型气动特性模拟计算
彭续云;邓胜祥
【期刊名称】《太阳能》
【年(卷),期】2017(000)008
【摘要】在计算流体力学(CFD)理论的基础上,利用FLUENT软件对NACA63-421翼型在不同的攻角下对其升阻特性进行数值模拟计算,并与相关文献试验值进行比对和分析,最后分析了翼型流场的速度矢量.结果表明:在小攻角下各湍流模型升、阻力系数的模拟值比较准确,大攻角下剪切力输送k-ω模型(简称SST k-ω模型)获得的升力系数比其他两个湍流模型更为准确;转捩k-kL-ω模型获得的阻力系数和升阻比较其他两个模型更加贴近试验值;各湍流模型获得的升、阻力系数以及升阻比随攻角变化趋势与试验值一致;在大攻角时翼型边界层出现了逆流和分离现象.【总页数】5页(P51-54,50)
【作者】彭续云;邓胜祥
【作者单位】中南大学能源科学与工程学院;中南大学能源科学与工程学院
【正文语种】中文
【相关文献】
1.翼型厚度对风力机叶片翼型气动特性的影响 [J], 王菲;吕剑虹;王刚
2.风力机柔性叶片翼型的气动特性研究 [J], 邓勇;龚佳辉;何宇豪;陈严;罗振
3.风力机叶片翼段气弹变形对翼型气动特性影响分析 [J], 汪泉;余波;王君;孙金风;任军;魏琼
4.大型风力机叶片翼型的气动特性分析 [J],
5.翼型型线改变的三叶片H型垂直轴风力机气动特性研究 [J], 郭欣;陈永艳;田瑞;韩成荣;何为;于磊磊
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翼型气动特性数值模拟研究

翼型气动特性数值模拟研究翼型是飞行器的重要组成部分，其气动特性（如升力、阻力、升力系数、升阻比等）对飞行器的性能有很大影响。

由于实验设备和费用的限制，气动试验成本高昂，因此数值模拟成为了研究翼型气动特性的主要方法之一。

数值模拟方法数值模拟方法主要包括计算流体力学（CFD）方法和边界元方法。

其中，CFD方法是一种利用数值计算方法处理流体动力学问题的方法，可根据所建立的数学模型，通过计算机模拟流体的运动状态，获得流体介质的相应物理量。

而边界元方法则是一种计算机辅助工具，针对问题内部的微观变化关系较弥散的情况下，仅需检查问题外缘的变化，即可通过边界元法反映问题内部变化。

两种方法的原理和适用范围存在区别。

本文主要讨论CFD方法，根据不同模型和假设，CFD方法分为欧拉方程模型、纳维—斯托克斯方程模型等。

其中，普遍认为海拔高度2000米，马赫数0.3的常温常压环境下，采用欧拉方程模型就能较为精确地预测翼型的气动特性。

欧拉方程模型及其应用欧拉方程模型的基本假设是流体为理想气体，连续性方程为无穷小量，流体的运动状态由欧拉方程控制。

其中，欧拉方程考虑了三个物理量：密度（rho）、速度（v）、热力学气压（p），并描述了它们之间的关系。

欧拉方程模型的适用范围很广，可以处理多种气流复杂情况，可以在空气、液体（如水）及其它流体的流动中预测相关的力学变量，有效地用于翼型气动特性数值模拟。

实例分析以NACA 0012翼型为例，它是由美国航空航天局设计的一支标准组合翼，被广泛应用于飞行器领域。

研究采用Ansys Fluent 15.0数值模拟软件，通过对NACA 0012翼型的气动特性的分析，验证了欧拉方程模型在预测翼型的气动特性方面的有效性。

翼型模型的几何尺寸定义采用了标准的NACA 4位数型号，其的绘制遵守了标准的绘制规则。

通常，翼型的比尺寸Re数（不能大于100万）是气动特性数值模拟的一个关键因素，它决定了模拟结果的准确度。

风力机翼型气动特性数值模拟

图２￥８２５翼型的计算瑚格
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｇｒｉｄｏｆ￥８２５ａｉｒｆｏｉｌ
３Ｓ８２５翼型数值模拟及对比分析
３．１网格密度对性能影响的标定
针对￥８２５翼型采用表１所列的３种不同密度的网格进行数值计算，模拟采用ｓ—Ａ湍流模型，得到３种不同网格条件下的￥８２５翼型升力、阻力和力矩系数，如图３ａ～图３ｄ所示。观察分析，４万网格与７万、１０万网格性能相差较大，大攻角时（攻角大于８０）各项系数性能相差明显，而７万、１０万两种网格间的翼型性能儿无差异，这在图３ｅ～图３ｆ的翼型表面静压分布图中也可明显看出。存在差异的主要原因认为足由于网格近肇ｙ＋值影响所致。所以，通过计算分析，对于风力机翼型二维数值模拟，采用约７万网格节点，近壁Ｙ＋＜１０的条件下，呵以不必考虑计算网格对气动性能的影响，从而可在保证计算精度前提下加快计算速度。
风力机翼型数值模拟时，采用约７万网格节点、近肇ｙ＋＜１０时达到网格无关，ｓ－Ａ湍流模型进行气动性能预测相
对精度较高，为风力机翼型气动设计提供了快速有效地数值仿真性能检测手段，具有较高工程实用价值。
关键词：风力机；翼型；气动性能；数值模拟
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中图分类号：ＴＫ８３
文献标识码：Ａ
Ｏ引言
目前检测风力机翼型气动性能的主要手段是风洞试验和数值模拟。风洞试验研究耗时、耗资，而随着计算机技术发展以及湍流模型的不断完善，应用计算流体力学（ＣｒＤ）数值方法研究风力机翼型的气动陛能已成为重要途径和发展趋势【Ｉ’２］。ＣＦＤ数值模拟能够描述复杂几何边界及流动结构，并能在设计初期完成快速的性能评估进而改进设计，优化设计性能且省时、省钱，极大地降低了新设计所带来的风险。所以，近年来在风力机翼型气动性能检测中更多地应用ＣＦＤ数值模拟【３’４Ｊ。

基于CFD++的翼型数值模拟_step by step(CFD++)

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CFD++
九、
寄语
本手册是作者花大量心思完成，对于入门级 CFD 学员具有极强的指导意义，请勿二次转载收费，请勿无畏扩散！
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三、
设置 CFD++
设置计算条件相关信息
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CFD++
Re = 300 0000 Ma = 0.5 经计算出 C=0.257777（网格信息中 C=1），则单位米的雷诺数为 11637966，如果需要计算 Re = 300 0000，则必须进行网格缩放 0.257777。迎角 4°
点击 Accept and Exit
CFD++
基于 CFD++的翼型数值模拟 (step by step)
一、准备网格
来源于 Gridgen 的 CFD++输出，建立计算路径，放置文件。
二、
运行 CFD++，调入网格文件
双击桌面上的图标选择工作路径下的文件（D:\CFD++\naca0012\4degree）：双击图中的“d:”
四、
边界条件
设置边界条件，翼型计算主要是壁面条件和远场边界条件。
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CFD++
点击 Proceed 首先设置远场边界条件
双击 farfield 远场边界
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CFD++
点击 Apply Choices
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CFD++
双击 info_set#2(这里显示远场边界上的相关信息，包括湍流模型)
点击 Accept and Exit
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CFD++

基于计算流体力学的风机数值模拟

基于计算流体力学的风机数值模拟风能是目前最常用的可再生能源之一，而风机是将风能转化为电能的主要设备之一。

为了提高风机的效率和性能，风机的设计和优化非常重要。

为了实现这一目标，计算流体力学（CFD）已成为风机设计的重要工具之一。

在本文中，我们将介绍CFD在风机数值模拟中的应用。

我们将首先介绍CFD的基本原理及其在风机数值模拟中的应用。

之后，我们将介绍风机数值模拟中的一些关键问题，包括网格选择、边界条件设置及结果验证等。

最后，我们将给出一些实例，说明CFD在风机数值模拟中的应用。

CFD的基本原理是通过数值计算方法求解流动控制方程式，以求解流体力学问题。

在风机数值模拟中，我们通常先将风机建模为一个三维几何体，并将其放入CFD软件中。

之后，选择适当的网格以解决流场变化，并给定边界条件以模拟物理现象。

最后，我们将分析和评估数值模拟结果，并根据需求进行调整和优化。

在风机数值模拟中，网格选择是一个重要的问题，因为它直接影响计算精度和计算效率。

基于精度要求，我们需要选择足够细密的网格以解决物理问题。

同时，为了保证计算效率，我们还需要考虑合适的网格密度和计算量。

因此，选择最优化的网格是非常关键的。

另一个关键问题是边界条件的设置。

在CFD中，边界条件用于模拟物理变化。

包括入口、出口和其他边界的状态等。

对于风机数值模拟，边界条件是影响数值模拟结果的一个关键因素。

错误设置的边界条件会导致数值模拟结果不准确，从而影响风机的设计和优化。

最后，CFD的结果验证也是风机数值模拟的必要步骤。

通常情况下，我们需要通过实验数据进行验证，以确保计算结果的准确性和可靠性。

只有正确地验证结果后，才能进一步进行风机设计和优化。

总的来说，CFD是风机设计和优化中不可或缺的工具。

在风机数值模拟中，我们需要仔细选择合适的网格，设置合适的边界条件，并且对结果进行验证。

通过使用CFD，我们可以更好地了解风机的基本性能和提高效率，从而更好地利用再生能源。

基于数值模拟的风力发电机机翼优化设计

基于数值模拟的风力发电机机翼优化设计随着能源的需求日益增长，风能作为一种清洁、可再生的能源逐渐被人们所重视。

在风能利用中，风力发电机是其中最常见的一种形式。

然而，风力发电机效率的提升与提高机翼的气动性能直接相关。

对机翼的优化设计，对风力发电机的能量转化率以及发电效益有着重要的影响。

本文将从数值模拟的角度，探讨风力发电机机翼优化设计的相关内容。

一、风能发电机机翼的工作原理风力发电机是将风能转换成电能的设备，而机翼则是风能转换的关键部件。

通常，机翼在运转中，风流会穿过机翼上下表面所形成的翼型，进而在翼型表面生成压差，由此产生升力。

同时，在翼型上下表面的速度差中，也会形成阻力。

这些气动力的作用会直接影响风力发电机的输出电能。

二、数值模拟在风力发电机机翼优化中的应用数值模拟是一种模拟真实物理过程的计算方法，它能够在计算机中使用不同的数学模型和工具来模拟并预测工程问题的行为。

利用数值模拟，我们可以更完整地掌握在风力发电机机翼设计中所需要解决的问题，如气动噪声、流动控制和内部结构强度等。

因此，数值模拟在风力发电机机翼优化设计中被广泛应用。

三、基于CFD的风力发电机机翼气动性能的研究为了研究风力发电机机翼的气动性能，目前广泛采用基于计算流体动力学（CFD）的方法进行仿真计算。

通过数值模拟，在不同风速、不同翼型和不同倾角的状态下，对风力发电机的机翼进行分析，得到不同状态下的机翼升阻比等性能指标。

采用合适的模型，可以对风力发电机机翼的设计参数进行优化。

例如，可以针对机翼的前缘设计、尾缘形状和厚度平衡等进行优化。

四、基于仿生学的风力发电机机翼形设计生物学中，众所周知的蜜蜂和鸟类等都具有很好的飞行能力。

针对这些生物，自然演化出的机翼形状在很大程度上是优化的。

在风力发电机的设计中，仿生学方法可以有效地改善机翼的气动性能，提高风力发电机的效率和转化率。

五、结语随着科技的不断进步，风能技术正成为人类能源体系中至关重要的一部分。

一种风力机专用翼型气动性能的三维数值模拟

一种风力机专用翼型气动性能的三维数值模拟杨从新;金开;王秀勇【摘要】为了准确预测风力机专用翼型在大攻角状态下的气动性能,运用脱体涡模拟(detached eddy simulation)方法对瑞典的FFA-W3-241翼型较大攻角范围内的气动性能进行三维数值模拟,对该翼型前缘粗糙状态下的气动性能进行预测.计算结果表明:建立翼型的三维模型,运用DES模拟风力机专用翼型气动性能的方法在线性区有很高的预测精度,在失速发展区的计算精度达到工程实际与研究的要求,在深度失速区有一定的预测精度,可用于定性分析.前缘粗糙度对FFA-W3-241翼型的气动性能有重要影响,前缘粗糙度的增加使FFA-W3-241翼型的最大升力系数下降了27.8％,失速过程趋于缓和；翼型在线性区和深度失速区对前缘粗糙度不敏感,在失速发展区对粗糙度敏感.%In order to accurately predict the aerodynamic performance of special airfoil for wind turbines in the state of large angle of attack, the detached eddy simulation(DES) was used to simulate numerically aerodynamic performance of Swedish FFA-W3-241 airfoil in a large scope of angle of attack and predict the aerodynamic performance of this airfoil with rough leading edge. The calculation results showed that the DES was suitable for numerical simulation of aerodynamic performance of special airfoil for wind turbine in linear region,with very high accuracy; in stall developing region, the computation accuracy would meet the requirement of engineering practice and investigation and in fully developed stall region, a certain accuracy of prediction was obtained and could be used for qualitative analysis. The leading edge roughness would have a significant effect on the performance of FFA-W3-241 airfoil,making the maximal lift coefficient reduced by 27. 8%, but the stall process would tend to be moderate; the airfoil would not be sensitive to the leading edge roughness in linear region and stall fully developed region. However, it would be sensitive to the leading edge roughness in stall developing region.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2012(038)006【总页数】5页(P39-43)【关键词】风力机专用翼型;脱体涡模拟;大攻角;三维数值模拟【作者】杨从新;金开;王秀勇【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TK83风力机是利用风能的主要设备，其通过风轮叶片将风的动能转换成机械能，再将机械能转换成电能，构成叶片的翼型性能直接影响着风力机的性能.早期的风力机设计多采用发展比较成熟的航空翼型，但实践证明，由于设计和使用条件的差异，这些翼型不能很好地满足风力机叶片相对厚度较大、运行雷诺数较低、表面粗糙度受环境影响大、攻角变化大、经常在失速状态运行等特殊要求.从20世纪80年代开始，欧美风电发达国家开始了风力机专用翼型的设计和研究，目前主要形成了美国NREL的S系列翼型、丹麦的Risø系列翼型、瑞典的FFA-W系列翼型和荷兰的DU系列翼型等，其中以瑞典的FFA-W系列翼型最具代表性［1］.翼型气动性能估算不仅是翼型设计的前提，它还和风洞实验数据一起为动量叶素理论确定风力机性能和载荷提供输入参数，因此准确预估给定翼型的气动性能是风力机空气动力学中一项至关重要的内容［2］.通常翼型的气动性能可以被归纳为3个区域，随来流攻角的增大依次是线性区、失速发展区和深度失速区［3］.计算流体力学（CFD）数值模拟能够描述复杂几何边界流动结构，并能在设计初期完成快速的性能评估进而改进设计，优化设计性能且省时、省钱，大大地降低了新设计带来的风险.CFD数值模拟已经成为风力机翼型气动性能研究的重要方法和发展趋势.为了计算快捷，目前对翼型绕流的数值研究大多是在二维基础上进行的，然而在大攻角边界层分离时，计算结果与实验值相差甚大，这是因为流动的转捩与边界层分离本身都是三维非定常现象，采用三维模型计算结果可能更精确.P.S.Christopher等人提出在研究翼型气动性能时，二维与三维得到的结果不同［4］；Strelets等人提出，除非展向长度取的非常长，否则，即使采用三维非定常雷诺时均方法也会阻碍绕流三维特性的发展，从而只能得到与二维一样的结果［5］；李银然等人提出展向长度过大会导致计算周期过长，且对翼型气动性能的计算精度也没有明显的提高，并建议取为2～4倍弦长［6］.采用CFD商用软件Fluent，运用脱体涡模拟（detached eddy simulation）方法对瑞典的FFAW3-241翼型较大攻角范围内的气动性能进行了三维数值模拟，通过与国外公布的实验结果比较，评估了DES三维数值模拟方法的预测精度和适用性.鉴于前缘粗糙度问题对风力机的特殊重要性，用DES三维数值模拟方法对该翼型前缘粗糙状态下的气动性能进行了预测.1 研究对象选用瑞典航空研究所研制的FFA-W3-241翼型，该翼型相对厚度为24%，具有较高的最大升力系数和升阻比，并且在失速工况下具有良好的气动性能，主要用于叶片的主要功率产生区（叶片展向0.75倍叶片长度附近），翼型的几何外形如图1所示.图1 FFA-W3-241翼型的几何外形Fig.1 Profile of FFA-W3-241airfoil2 计算方法2.1 计算区域与网格划分风洞实验是在Risø国家实验室的VELUX风洞中开展的，当雷诺数为1.6×106，来流风速为40 m/s时，实验段的背景湍流强度为1%，翼型弦长为0.6m.采用CFD前处理软件GAMBIT进行几何建模，翼型弦长取0.6m，计算区域在x方向扩展到30倍弦长，在y方向扩展到15倍弦长，在z方向扩展到3倍弦长.应用GAMBIT软件，对流场计算域进行多块网格的构造与重构，生成贴体、正交性好的结构化网格.由于翼型附近流场参数的梯度比远流场参数的梯度大得多，故对翼型附近的网格进行了局部加密，翼型周围第一层网格高度约为0.004mm，网格节点数约为230万.边界条件：选用速度进口和压力出口，翼展方向的边界面定义为对称边界，翼型表面设定为无滑移壁面.翼型附近区域的网格如图2所示.图2 翼型附近区域的网格Fig.2 Grids of adjacent region around airfoil2.2 湍流模型与离散格式DES是近年来出现的一种结合大涡模拟（LES）和求解雷诺时均N-S方程（RANS）两者优点的湍流数值模拟方法，DES对物面附近边界层内的流动完全采用RANS模拟，可以有效的简化边界层流动，不需要巨大的计算机硬件资源.在远离物面的流动分离区，采用LES数值计算，即对小尺度涡采用亚格子模型数值计算，对大尺度涡采用直接数值计算的方法，这样可以有效的计算分离流动，可见DES充分利用了RANS和LES各自的优点，可以有效快速地模拟实际工程中的大范围分离流动［7］.DES在分离区域的湍流模拟不再依赖当地网格单元中心到翼型壁面的最短距离，即湍流的模拟与物体几何外形没有直接关系，而与当地网格本身的尺度直接相关，因此DES方法在流向和展向都能计算出旋涡的运动，从而能得到更细致的旋涡结构［8］.DES下面的RANS选项选k-ωSST湍流模型，动量方程采用默认的离散格式（bounded central differencing），压力采用中心差分离散格式，湍动能和比耗散率均采用二阶迎风格式，速度和压力耦合采用SIMPLEC算法.非定常时间步长取0.001s，在每个时间步长内迭代20次，通过监视升力系数和阻力系数来判断计算的收敛性.当升、阻力系数稳定或者在很小的范围内波动时，认为收敛，取最大值和最小值的平均值.3 结果及分析3.1 计算结果与分析参照文献［9］所提供的风洞实验条件，在Fluent中进行对应的设置，通过给定不同攻角时对应的来流风速在水平和竖直方向的速度分量为速度入口参数来改变攻角，在攻角为0～34°时，计算了FFAW3-241翼型的升力系数和阻力系数，并分别与风洞实验结果［9］进行了对比.图3和图4分别给出了攻角为11.6°和20°时的升、阻系数计算结果，攻角为11.6°时升、阻系数均收敛于某固定值，说明附着流时，流场稳定，抗扰动能力强；攻角为20°时升、阻系数在一定的范围内脉动，说明分离流场不稳定，对自由流扰动敏感.图5给出了升、阻系数的计算值与实验值的对比结果，从图中可以看出，在攻角为0～11.6°时，计算的升力系数值与风洞实验值吻合良好，最大相对误差仅为1.3%（α=11.6°），此时翼型气动性能处于线性区，流动基本是附着的.在攻角为11.6°～25°时，翼型绕流进入失速发展区，2条曲线的变化趋势一致，相对误差均在15%以内，计算精度达到实际工程和研究的要求.随着攻角增大，在流体黏性和逆压梯度的作用下翼型吸力面后缘附近边界层出现分离，并逐步向前缘扩展，升力系数先增大，在一定攻角（临界攻角）达到峰值后突然减小，即出现失速现象.边界层分离会形成许多大小和频率不同的旋涡，这些旋涡既在弦长方向有运动，也在展向有位移，即具有三维性和非定常性.实验测得的临界攻角为15.405°，计算结果显示临界攻角在15.5°附近，三维数值计算准确地捕捉到临界攻角，计算出的流场形状和变化规律反映了气流的客观流动规律，如图6所示，旋涡沿展向有位移.在攻角为25°～34°时，翼型绕流进入深度失速区，计算值与实验值的偏差较大，但曲线的变化趋势基本一致.偏差较大可能有2方面的原因：1）湍流模型没有很好地与实际物理模型相匹配；2）失速流场自身可能存在某种不稳定性，对外界扰动十分敏感，因此难以得到确定性的结果.图3 α＝11.6°升、阻系数计算结果Fig.3 Calculation results of lift and drag coefficients atα＝11.6°图4 α＝20°升、阻系数计算结果Fig.4 Calculation results of lift and drag coefficients atα＝20°图5 升、阻系数计算值与风洞实验值的对比Fig.5 Comparison of experimental and computational results of lift and drag coefficients图6 α＝20°三维流线图Fig.6 Three-dimensional streamlines atα＝20°在攻角为0～25°时，计算的阻力系数值与风洞实验值吻合比较好，攻角大于25°后，计算结果与实验值的偏差较大.在失速现象出现前，阻力系数很小，且对攻角变化不敏感，此时流动基本是附着流，阻力以摩擦阻力为主；失速后，阻力系数随攻角的增大而显著增大，翼型后半段出现因边界层分离产生的低压区，阻力以压差阻力为主.注意到攻角为0～25°时，计算值总体上要小于风洞实验值，一方面是因为实验翼型在加工时表面粗糙度很难保证很好的一致光滑性；另一方面是由于有限长叶片受到的阻力由摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力构成，对于有限长的实验叶片，由于压力面的压力大于吸力面，气流会从压力面绕过叶片的两个端部翻转到吸力面，形成叶尖涡，并由此产生诱导阻力.为了简化模型，减少计算耗时，将翼展方向的边界面定义为对称边界，这样就忽略了从压力面绕过叶片的两个端部翻转到吸力面的气流，所以计算的阻力系数值小于实验值，这部分偏差可近似看作实验叶片的诱导阻力系数.攻角大于25°后，计算值大于实验值，可能是由于翼型进入深度失速区后，计算误差过大造成的.3.2 前缘粗糙度对翼型气动性能的影响风力机由于长期运行在野外自然条件下，叶片经常受到沙尘、油污和冰雨等侵蚀，表面粗糙度特别是前缘粗糙度对翼型气动性能有重要影响［10］，因此，在翼型吸力面距前缘10%弦长处布置1mm高的粗糙凸起，用三维数值模拟研究粗糙度对翼型性能的影响.图7 光滑翼型与粗糙翼型计算结果的对比Fig.7 Comparison of calculation results between smooth and rough airfoils图7给出了光滑翼型与粗糙翼型计算值的对比结果，总体上看，前缘粗糙度的增加使升力减小阻力增加，失速过程趋于缓和.升力线斜率减小，最大升力系数下降了27.8%，粗糙凸起在临界攻角附近对升力的影响比较大，攻角大于20°后，粗糙凸起对升力的影响有限，在攻角为11.6°～25°时，阻力明显增加.表面粗糙度的增加使边界层厚度增加，分离点前移，从而使升力线斜率和最大升力系数减小；由于在临界攻角附近，边界层的自由转捩点和分离点比较靠后，所以翼型在临界攻角附近对前缘粗糙度比较敏感；攻角大于20°后，翼型开始进入深度失速区，边界层的自由转捩点和分离点比较靠近前缘，所以粗糙凸起对升力的影响有限.由于表面粗糙度增加，层流边界层转捩为湍流边界层，摩擦阻力增加，另外，边界层提前分离扩展了低压区，同时减小了低压区的压力，导致压差阻力显著增加，所以总阻力明显增加.4 结论1）建立翼型的三维模型，运用DES模拟风力机专用翼型气动性能的方法在线性区有很高的预测精度，在失速发展区的计算精度达到实际工程与研究的要求，在深度失速区有一定的预测精度，可用于定性分析.2）前缘粗糙度对FFA-W3-241翼型的气动性能有重要影响，前缘粗糙度的增加使FFA-W3-241翼型的最大升力系数下降了27.8%，失速过程趋于缓和；翼型在线性区和深度失速区对前缘粗糙度不敏感，在失速发展区对粗糙度敏感.参考文献：［1］ANDERS B K.Coordinates and calculations for the FFA-W1-xxx，FFA-W2-xxx and FFA-W3-xxx series of airfoils for horizontal axis wind turbines ［R］.Stockholm：The Aeronautical Research Institute of Sweden，1990. ［2］陈培，刘杰平，张卫民.风力机翼型气动性能预估和分析［J］.太阳能学报，2009，30（10）：1424-1429.［3］SPERA D A.Wind turbine technology［M］.New York：ASME Press，1994.［4］CORTEN G P，TIMMER W A.Collection of Technical Papers：44th AIAA Aerospace Sciences Meeting ［C］.Reno：AIAA Inc，2006：187-194. ［5］STRELETS M.Detached eddy simulation of massively separated flows ［R］.Reston：AIAA，2001.［6］李银然，李仁年，王秀勇，等.计算模型维数对风力机二维翼型气动性能预测的影响［J］.农业机械学报，2011，42（2）：115-119.［7］SPALART P R，RUMSEY C L.Effective inflow conditions for turbulencemodels in aerodynamic calculations ［J］.AIAA，2007，45（10）：2544-2553.［8］李仁年，李银然，王秀勇，等.风力机翼型的气动模型及数值计算［J］.兰州理工大学学报，2010，36（3）：65-68.［9］PETER F，IOANNIS A，KRISTIAN S.Wind tunnel tests of the FFA-W3-241，FFA-W3-301and NACA 63-430airfoils［R］.Copenhagen：RisøNational Laboratory，1998.［10］FREUDENREICH K，DRELA M.Reynolds number and roughness effects on thick profiles for wind turbines ［J］.Wind Engineering，2004，28（5）：529-546.。

基于CFD的水平轴风力机数值模拟

ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｆｅａｓｉｂｉ１ｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉ１ｉｔｖ．ＡｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅａｍｏｒｅｒｅａｌｉｓｔｉＣＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｉｎｄｓｈｅａｒｉｎｆｌｏｗＳｉｔｕａｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｗｉｎｄｓｈｅａｒｍａｋｅｓｎｏｔｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｗｅｒ，ｉｎｓｏｍｅｃａｓｅｓ，ｗｉｎｄｓｈｅａｒｆａｃｔｏｒｓｃａｎｂｅｉｇｎｏｒｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ＣＦＤ；ＮＲＥＬ１０：ｗｉｎｄｓｈｅａｒ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＵＧｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｍａｋｅｔｈｒｅｅ — ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙＮＲＥＬ１０ｔｗｏｈｏｒｉｚｏｎｔａｌａｘｉｓｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙＦｌｕｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＣＦＤ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｔｈａｔ０ｆｅｘＤｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｕｅｓｉｎｆｉｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｂｌａｄｅｓｕｒｆａｃｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｗｅｒｅ

基于CFD的风力机三维数值模拟

基于CFD的风力机三维数值模拟汤松臻周俊杰郑州大学化工与能源学院郑州450002[ 摘要] 本文主要以某一水平轴风机为研究对象，运用Fluent对其进行优化设计和流固耦合数值模拟。

通过优化算法，把风机的转动惯距、风机转速和来流速度整体结合，并对风机外流场就行流固耦合分析，得出风力发电机叶片的受力分布形态和规律,为进一步的疲劳寿命、断裂分析和风机叶片的结构优化设计提供依据和参考。

[ 关键词]风力发电机；数值仿真；流固耦合；动力学3D Numerical Simulation Of Blade Of Fan Based On CFDTang Song-zhen, ZHOU Jun-jie(School of Chemical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou,450002)[ Abstract ] In this paper, a certain horizontal axis wind turbine was used as the main research model, the paper simulated its fluid solid interaction field and optimized the design by Fluent. Using the optimizationtheory to make the fan speed, the flow velocity and the torque together. Fluid-solid coupling methodwas used to simulate the dynamic characteristics of a horizontal axis wind turbine. Throughanalyzing the data, the laws of the stress and strain distributions were got. It provides reference forthe further study on the failure and fatigue life, and for mechanical optimal design also.[ Keyword ] Wind turbine; Numerical simulation; Fluid-solid coupling; Dynamic1前言当今煤、石油、天然气等传统能源消耗的日益增加，能源危机日益严重，寻找新的可再生能源成为人类社会发展所面临的重要问题。