风力机专用翼型气动特性的数值计算和分析

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本文在分析了国内外风电开发及风力机专用翼型气动特性研究现状的基础上,采用计算流体力学数值模拟方法,对几种典型风力机专用翼型的气动特性开展研究。通过运用Fluent软件对DU95-W-180翼型在干净和前缘粗糙状态下的气动特性进行数值计算,结合实验数据,验证了所采用的二维计算方法在一定的工况下可以有效地进行风力机专用翼型的气动特性研究;通过DU95-W-180和S810两种翼型,研究了不同前缘半径的翼型对前缘粗糙度的敏感性;通过FFA-W3-211翼型,预测了尾缘附近压力面粗糙度对翼型气动特性的影响,并总结了相关规律;通过建立FFA-W3-241翼型的三维模型,运用脱体涡模拟(Detached EddySimulation,DES)方法对FFA-W3-241翼型的大攻角气动特性进行数值计算,结合实验数据,验证了所采用的三维数值计算方法在失速发展区可以有效地进行风力机专用翼型的气动特性研究,并采用三维数值计算方法预测了前缘粗糙度以及Gurney襟翼对FFA-W3-241翼型大攻角气动特性的影响。不同前缘半径的翼型对前缘粗糙度敏感性的数值研究:在一定的雷诺数和攻角条件下,对于厚度相同的翼型,前缘半径较小的对前缘粗糙度的敏感性较低,前缘半径较大的则相对较高。尾缘附近压力面粗糙度对翼型气动特性的影响:在一定的攻角和雷诺数条件下,提高翼型尾缘压力面粗糙度,能有效提高翼型的升力系数,同时阻力系数也增加,升阻比有一定程度的提高;粗糙带的厚度存在最优值,宽度存在最优值和临界值;对于干净翼型,随着雷诺数的增加,升力系数增大,阻力系数减小,升阻比增大;对于尾缘粗糙翼型,其升力系数随着雷诺数的增加而增大,阻力系数随着雷诺数的增加先减小后增大,升阻比先增大后减小。建立翼型的三维模型,运用DES方法模拟风力机专用翼型气动特性在线性区有很高的计算精度,在失速发展区的预测精度达到工实际程与研究的要求,在深度失速区有一定的预测精度;前缘粗糙度对FFA-W3-241翼型的气动特性有重要影响,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。在一定的工况下,在翼型尾缘处以90°角安装一定高度的Gurney襟翼,能提高升力系数,同时阻力系数也增加,升阻比在线性区降低,在失速发展区提高。
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