小型水平轴风力机叶轮流场的数值模拟

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1、学术论文RESEARCH小型水平轴风力机叶轮流场的数值模拟NumericalSimulationofSmallHorizontal．AxisWind1[、lrbineRotor西北工业大学翼型、叶栅空气动力国防科技重点实验室王静静赵旭叶忱【摘要】应用基于Betz理论的工程算法设计了600W和2kW的水平轴风力机，并采用CFD软件Fluent对风力机叶轮的流场进行了数值模拟，得到的风力机功率与风洞试验结果吻合良好，说明LES湍流模型和自适应网格在小型水平轴风力机的数值模拟中的精确度较高。数值模拟同时显示了风力机

2、流场的压力分布，对叶片的流动分离进行了分析讨论。关键词：小型水平轴风力机叶轮大涡模拟自适应网格lABSTRACTlA600Wand2kWhorizontalaxialwindturbinearedesignedbasedontheengineeringa1．gorithmBetz．ThenumericalsimulationofflowfiledforwindturbinerotorismadebyusingFluent．Thecalculatedwindturbinepowercompareswellwit

3、htheexperimentaldata，andtheinfluencesofLESandadaptivemeshonnu-mericalsimulationresultsarealsostudied．Theresultsofpressuredistributionandseparationflow—fieldaroundthebladesectionaresimulated．Keywords：SmallsizeHorizontal-axiswindtur-bineRotorNumericalsimulati

4、onAdaptivemesh风力机是将自然界的风能转换成机械能并获得电能的装置。水平轴风力机风轮气动性能对整个风力机的运行特性和使用寿命起决定作用，因此对风力机气动性能的预测至关重要。对于大型风力机的气动性能已经有了大量的数值与风洞试验模拟【1也】，而小型水平轴风力机由于其雷诺数量级为105，属于层流和湍流的过渡区，流动特性及其复杂，国内外研究尚少。利用数值模拟手段，可以获取叶片的气动性能，而且成本要远低于风洞试验。本文以实际风力机为研究对象，探索适合小型水平轴风力机的数值模拟方法及其相关设置。1基于Betz

5、理论的叶片设计在Betz基本理论的基础上，文献[3]通过实践总结出了一套设计风力机的经验公式，可以为从事风力机、风力发电机的设计者提供设计的依据。具体设计过程为：(1)根据风力机的有效功率，求出风轮扫掠面积和风轮直径；(2)选定风力机叶片数；(3)根据叶尖速比，计算风轮转速；4．选定叶片剖面翼型，计算叶片不同半126航空制造技术·2013年第1／2期径处的叶片弦长，公式如下：风轮叶片扫掠面积S：^，S2面孓1’e而，(1)风轮转速n：n-器，(2)叶片不同半径■处的叶片弦长厶：厶=等，(3)式中，Ⅳe为风力机

6、有效功率，K为单位换算系数，c。和Ct分别为空气高度和湿度密度修正系数，v和R分别为风速和风轮半径，r／和k分别为风力机全效率和叶片数，cc和G分别为叶片形状参数和升力系数。应某公司实际需求，本文设计了600W和2kW的风力机。600W风力机的风速为lOm／s，模型参数为：叶片数3，叶尖速比6，风轮直径1．8929m，转速605r／min，选择NACA4412翼型。雷诺数范围为7．30×104。1．83×105。2kW风力机的风速为11．3m／s，模型参数为：叶片数3，叶尖速比6，风轮直径2．8771m，转速

7、405．066dmin，选择NACA4412翼型。雷诺数范围为1．14×105。3．12×105。叶片截面参数见表1。表1截面几何参数蕊勰——嬲图霾醢圈煳蘸圈黼疆嬲耀圈翻麟目蛘一1．00-2．07000．0423--2．0700O．06430．9l一1．4701O．0473一1．470I0．07190．8l-0．67020．0532-0．6702O．08090．72O．22990．05680．2299O．0863O．631．53010．06001．53010．09120．543．22990．06743．229

8、9O．10250．455．22970．0r7395．22970．11230．368．22990．08708．22990．1323O．2713．2304O．104713．23040．15910．1819．72990．118319．7299O．17980．0923．73020．093423．7302O．1420由于流动区域有层流也有湍流，而Fluent提供的模型均不能准确模拟，为寻找一种较准确的数值模型