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1、第25卷第5期水电能源科学Vol.25No.52007年10月WaterResourcesandPowerOct.2007文章编号:1000-7709(2007)05-0142-03基于MATLAB的小型风力机叶片设计王军周丙超(华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉430074)摘要:结合Wilson设计方法流程,采用MATLAB语言编程,开发了小型风力机叶片气动设计的应用程序。利用该程序设计了一台10kW小型水平轴风力机,采用CFD方法对所设计的的模型用FLUENT软件进行单流道分析计算。流场分析结果表明,编制的软件提高了初期设计效率,具有直接形成结构实
2、体的特点,缩短了小型风力机叶片CFD分析前处理时间。关键词:叶片;参数化;MATLAB中图分类号:TK83文献标志码:A目前在石油、煤炭等传统能源紧张的环境下,23015翼型。风轮转速确定:世界各国均将目光投向新能源领域,其中风能倍N=(600V1)/(D)(2)受关注。风力机叶片作为将风能转换为动能的“心式中,N为风轮转速,r/min;0为叶轮叶尖速比。[2]脏”,其设计直接决定着风力机组的效率。在对风由动量—叶素理论可得:力机叶片设计时大多采用CAD/CFD的分析方83dCp=2b(1-a)Fd(3)法,用这些软件可加速设计进程、缩短研发周期,
3、02在产品制造前可预测其性能,方便地对产品进行a(1-aF)=b(1+b)(4)[1]优化设计。本文以提高计算精度、节约设计时2-fF=arccose(5)p间、改善小型风力发电机的输出性能为目标,使用BR-rMALTLAB软件编写小型风力机叶片设计程序。f=(6)2Rsinf同时对一实例进行了CFD分析,证实了该程序的(1-a)V111-a可行性,为进一步CFD设计建模提供参考依据。tan==(7)(1+b)r1+b同时,=-(8)1气动设计原理及流程V1(1-a)CRe=(9)nsinf1.1气动设计原理BCC1cosf(1-aF)aF2=2
4、(10)风力机叶片的设计主要包括叶片数、叶片直8prsinf(1-a)径、翼型、转速、安装角和弦长等参数的确定,本文式中,Cp为风能利用系数;a为轴向诱导因子;b为采用叶尖损失的Wilson方法对风力机叶片主要周向诱导因子;B为叶片数;为叶素入流角;为[2,3]参数进行计算。叶素安装角;为叶素攻角;V1为来流风速,m/s;23[2]直径D可由关系式P=0.2DV1得:为风轮转速,rad/s;r为叶素剖面到叶根的距离,m;R为叶片半径;F为Prantl叶尖损失修正因PD=3(1)0.2V1子;C为叶素弦长;Re为雷诺数;为运动粘性系2式中,P为风力机轴
5、功率,W;D为叶片直径,m;数,m/s;C1为叶素升力系数。V1为来流风速,m/s。根据Wilson理论,对于每一个截面的叶素,考虑到叶片气动性能与制造等方面的因素,以式(3)作为目标函数,以式(4)～(6)为约束条设计的叶片各截面采用同一种翼型,即NACA件,求得a和b进而按式(7)求得;查翼型手册,收稿日期:2007-04-25,修回日期:2007-05-22作者简介:王军(1963-),男,副教授、博士后,研究方向为流体机械优化设计及实验,E-mail:wangjhust@163.com第25卷第5期王军等:基于MATLAB的小型风力机叶片设计·143
6、·据式(9)取不同雷诺数下最佳攻角,由式(10)求表1各截面弦长与安装角得C1进而求得弦长C和安装角。Tab.1Chordsandsettinganglesineachsection截面位置弦长安装角截面位置弦长安装角1.2程序流程(r/R)c/mm/(°)(r/R)c/mm/(°)根据Wilson理论,在求解过程中较困难的是0.158224.670.63020.68a和b的迭代求解以及取不同雷诺数下的最佳攻0.252012.440.72850.190.34316.480.82760.00角。在MATLAB中,根据自带的非线性约束最优0.43723.35
7、0.92720.00化函数Fmincon可快速地求出a和b。同时,根据0.53301.631.02380.00Profile软件取得的NACA23015翼型在雷诺数从53000～5×10的最佳攻角与升力系数,利用MATLAB中的样条拟合函数Spline分别将雷诺数与最佳攻角、雷诺数与最佳升力系数拟合,大大减少了计算步骤和计算时间。程序流程见图1。图2风轮实体图Fig.2Rotorsolidfigure图3流域网格图Fig.3Meshplotofflowfield为叶片3倍半径、出口离叶片平面为7倍半径,顶部离转轴5倍半径。网格采用非结构化网格,整体网格数为13
8、39783(图3)。图1程序流程框图计
