小型高速风力机的CFD流场数值模拟分析

摘要

在能源日益紧缺、环境日趋恶化的今天，风电技术越来越受到各国的重视。目前，国内多在大功率航空翼型风机叶片的结构设计及有限元分析等方面进行研究，但是对于叶片翼型与整个三维流场气动特性的研究较少。尤其是对特殊工况条件下，翼型的气动性能以及风轮流场流动特性的研究不够。为此，本文为设计满足相关要求的小型风机，根据空气动力学、流体力学以及计算流体动力学(CFD)的相关知识和软件，在马赫数为0.294的条件下，风机翼型的气动特性、叶片与风轮设计及风轮流场等方面进行了探索。
　　 首先，分析了航空翼型与专用翼型的特点，并选取NREL公布的S814翼型为研究对象，应用空气动力学和CFD理论，采用RNGκ-ε湍流模型对风机专用翼型S814二维定常流场进行数值模拟，得到雷诺数为6.85×106，来流攻角为-10°～30°共21种工况条件下，S814翼型的各项气动参数和特点，为叶片几何形状设计提供相关重要设计参数。
　　 其次，根据相关要求，设计计算叶片重要参数；利用Wilson理论，将叶片沿叶展划分为十个截面；利用Matlab的非线性优化程序优化设计了叶片截面处的扭角和弦长数据；根据S814翼型数据，进行各截面离散点坐标变换，并应用三维造型软件Pro/e进行了叶片的设计和整个风轮的三维建模。
　　 最后，建立起风轮整个流场区域的三维模型，采用网格划分模块ICEM-CFD进行网格划分；利用CFX软件，应用SSTκ-ε湍流模型对额定工况下的风轮流场进行动态数值模拟，仿真了风轮周围的三维流场，得到整个风轮的表面静压力、速度矢量及湍流度等主要气动参数和流动状态的规律；同时计算和分析了叶片所产生的功率以及叶尖速度值与设计值的误差，基本符合设计要求；研究了风轮各个截面的的气动性能，与二维模拟进行比对，了解了气动性能异常的现象，并分析产生异常段的原因。通过数值模拟，可为该高雷诺数条件下风机叶片的改型设计与研发提供相应的技术参数和相关指导。