风力机翼型转捩与失速特性的数值计算

１ 不 同数值计算 方法比较
目前 针 对 中低 雷诺 数 下 翼 型 气 动特 性 的数 值 计 算主 要分 为两 类 ： １ ） 边 界层 耦 合计 算 方法 。此 类
方 法 利 用无 粘 流 方 程 与边 界 层 方 程 间 的互 相 迭 代 来 求解 流场 。耦 合计 算 方法 又可 分 为两 种 ， 一种 欧
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风力 机翼 型 转捩 与失 速特性 的数值计 算
Ｖ ｏ １ ． １ ６ Ｎ ｏ ． １
｛ 动力 工 程｛
ｋ ＋ ． ＋ 一 ＋ 一 十 ＋ ． ．
风 力机翼型转捩 与失速特性 的数值计算
Ｔ ｈ ｅ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｓ ｔ ａ ｌ ｌ Ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ Ｗｉ ｎ ｄ Ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ Ａｉ ｒ ｆ ｏ ｉ ｌ
李 志敏 高 伟 高月 文 李 春
上海理 工 大学 能源 与动 力工 程 学院 上海 ２ ０ ０ ０ ９ ３
【 摘要 】 针对三种Ｎ Ｒ Ｅ Ｌ Ｓ 系列风力机专用翼型， 分别采用Ｘ ｆ Ｏ １ ］ 和Ｆ ］ ｕ ｅ ｎ ｔ 软件对流动转捩和
失速 特 性进 行 了数值 研 究 ， 得 到 了翼 型升 力 系 数 与 阻力 系 数 随攻 角 变 化关 系 ， 并 将 其 与 实验 数据进 行 了比较。结果表 明 ： 数值 计 算结果 与风 洞 实验 数据 吻合很 好 ， 表 明数值 计算在 翼型二 维 气动性 能计 算方 面有 较高 可信度 。 对 于相 对厚 度 大于０． １ ５ 的 翼型 ， 在 中低 雷诺 数 下 ， 通 常会
通过迭 代耦 合逐 步 进行修 正 ［ ３ ］ 。由Ｄ ｒ ｅ ｌ ａ 教 授开 发 的
著 名 的翼 型气 动 分析 设计 软 件Ｘ ｆ ０ ｉ ｌ 即采 用该 方 法 ， 并 运 用 了ｅ 法来 预 测边 界 层转 捩 ， 该 软 件 被广 泛 地
翼 型 …。本 文 主要 针 对 目前ＮＲ Ｅ Ｌ 推 荐 采 用 的几 种 Ｎ Ｒ Ｅ Ｌ 翼 型 ．利 用两 种数 值 方法 进行 气 动性 能 的计 算 与分 析 ， 主要研 究其 转捩 和失 速 特性特 性 。
发 生后缘 分 离 ， 达到 失速 角 时 ， 升 力 系数ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 慢减 小 。
【 关键词 】 翼型 转捩 失速 气 动特 性 Ｃ Ｆ Ｄ 【 中 图分 类 号 】 Ｖ ２ １ ｌ ・ ４ １ 【 文献标识码 】 Ａ
０ 前 言
在 风力 机设 计过 程 中 。 叶片 作 为风力 机 的关 键
基 金项 目： 国家 自然 科 学 基 金 （ Ｅ ５ １ １ ７ ６ １ ２ ９ ） ； 上 海 市 研 究 生 创新基金 （ Ｊ ＷＣ Ｘ Ｓ Ｌ １ ０ ２ １ ）
作 者简 介 ： 李志敏 （ １ ９ ８ ８ ＂ ） ， 女， 硕 士研 究 生 ， 主 要 从 事 风 力 发
电 的研 究 。
部件 ， 其 气 动性 能直 接影 响 着风 机 的功率 输 出 和风
能 利用效 率 。 而 翼 型气动 性能 是 叶片气 动性 能 的基 础， 因此 ， 准确 预 测 风力 机 翼 型 的气 动 特 性 尤 为 重 要 。翼 型 的气动 性能 的 获取 一般 采用 两 种方 法 ： 风
拉 方程 与边 界层 方程 耦合 ． 例 如ＭＩ Ｔ 的Ｄ ｒ ｅ ｌ ａ 教授＿ ２ ］ 。 成 功 地 开 发 出 了用 于 叶栅 流 动 的 软件 Ｍ Ｉ Ｓ Ｅ Ｓ 以及
计 算 的翼 型气 动 特 性 与 实验 所 得 到 的结 果 存 在 一 定差异 。但 是 ， 较 之前 者其 优 点是 可 以清楚 地 得 到
翼型 流场 的细微 结 构 。
山东 电力高 等专 科学 校 学报
第 １ ６卷 第 １期
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ １ — ０ ６
应 用 于风力 机翼 型 的分析 与设 计 ＿ ４ ］ 。２ ） 雷诺 时 均方 程辅 以湍 流模 型 的Ｃ Ｆ Ｄ计算 方法 ［ ｓ － 。该 方法 主 要缺 点为湍 流模 型在 预 测转 捩 点 的位置 上存 在局 限性 ，
一
般需 根 据实验 结果 来指 定转 捩点 位 置 。 因而 在其
洞 试验 和数 值模 拟 。相 比于 风洞 试 验 ， 数 值 模拟 计 算 方 法 适应 性 强 、 耗时短 、 成 本 低及 利 于揭 示 流 场
内部 细 节 等优 点 ． 已广 泛 应 用 于 风力 机 的 叶片 设 计。 美 国国家 可再 生 能源 实验 室 （ Ｎ Ｒ Ｅ Ｌ ） 是 最早 开 展 风力 机气 动翼 型研 究 的机构 之一 。 自上世 纪 ８ ０ 年 代起 ， Ｔ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ｒ 和Ｓ ｏ ｍ ｅ ｒ ｓ 等针 对 失 速 型 、变 桨距 和 变 速 风 力 机 叶 片 陆续 开发 了９ 组约３ ５ 种Ｎ Ｒ Ｅ Ｌ Ｓ 系 列
孤 立翼 型分析 软 件ＭＳ Ｅ Ｓ ；另一 种 则 是利 用势 流 方 程 与边 界 层 方 程 进 行 耦 合 ，例 如Ｃ ｅ ｂ ｅ ｃ ｉ 所 提 出 的 Ｈｅ ｓ ｓ — Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ 方法 ， 该 方 法将 翼 型 的 流动 表示 为表 面 上数量 足 够 的点源 和一 个 绕流 环量 。 势 流 与边 界层
表１ ￥ ８ ０ ９ 翼 型风 洞 实验 气 动 参 数 对 比
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