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1、第 11卷? 第 2期? 2011年 1月 1671?1815(2011) 2-0423 -04?科? 学? 技? 术? 与? 工 ? 程 Science Technology and Engineering?Vol ?11? No ?2?Jan?2011 ? ?2011?Sci ?Tech?Engng ?航空航天一新型立轴风力机直叶片翼型 气动特性数值模拟陈丁刚? 屈本宁? 赵燕萍(昆明理工大学建筑工程学院, 昆明 650021)摘? 要? 研究一新型立轴风力机直叶片, 影响其气动性能的一些参数。采用商业软件 FLUENT 模拟翼型在不同来流攻角下的气动性能。得出了翼型的升力系数、 阻力系数
2、和升阻比随来流攻角的变化关系, 为该叶片的气动优化设计提供了参考。关键词? 翼型? ? 气动性能? ? 数值模拟中图法分类号? V211. 1 ; ? ? ? ? 文献标志码? A2010年 10月 25日收到, 11月 3日修改第一作者简介: 陈丁刚 ( 1985?), 汉族, 江苏省宿迁人, 昆明理工大学建筑工程学院工程力学系研究生, 研究方向: 计算力学。E-mai: ldinggangchen yahoo. cn 。? 在众多的可再生能源中, 风能受到人们的青睐, 其具有巨大的发展潜力和优越性。我国具有丰富的风力资源, 但是我国风力机的技术水平, 尤其是风力机叶型气动性能的研究相对薄弱
3、, 尚未形成自己的专业研发能力和专用叶型系列; 而这两方面的工作对发展我国的风力机产业, 掌握自主知识产权, 具有重要意义。风力发电机主要包括水平轴式风力发电机和垂直轴式 (立轴 )风力发电机两种形式; 其中水平轴式风力发电机是目前技术最成熟、生产量最多的一种。但是立轴风力发电机不需要调整风向, 发电机、 齿轮箱等设备放在地面上, 极大地克服了水平轴风力机结构上的固有缺陷, 成为新型高效风力机开发的主要趋势 1。随着风机制造业的迅猛发展, 对叶片的研究也越来越受到重视。本文所研究的是一应用于立轴风机上的直叶片, 重点研究了在不同来流攻角下的升阻力系数 2。1? 翼型的几何参数翼展为无限长的等剖
4、面直机翼的空气动力特性即为翼型的气动性能。由于绕这种机翼的流动沿翼展没有速度分量, 流动参数只在与展向垂直的平面内变化, 属于二维平面流场, 因而又称为二维机翼。翼型的几何形状, 即几何特性, 决定了它的空气动力特性 2。翼型的几何参数包括中弧线、 前缘、 前缘半径、 后缘、 后缘角、 后缘厚度、 弦长、 厚度和弯度 (如图 1)。图 1? 翼型几何参数2? 翼型的气动性能当气流流经翼型叶片时, 叶片下面的气流压力几乎保持不变, 叶片上表面气流速度增高, 压力下降, 于是叶片受到了向上的作用力。可分解为与气流方向平行的阻力和与气流方向垂直的升力 2。2 . 1? 阻力系数通常用翼型阻力系数 C
5、d随攻角变化的曲线来表示翼型的阻力特征, 也可以用翼型阻力系数随翼型升力系数变化的极曲线来表示 3。翼型的阻力系数定义为Cd=D 0 . 5? V2 0c( 1)式 ( 1)中: ?为气体密度; V0为来流密度; c为翼型弦长。2 . 2? 升力系数翼型的升力特征通常用翼型升力系数 Cl随攻角变化的曲线来表示, 翼型的升力系数定义为Cl=L 0. 5? V2 0c( 2)式 ( 2)中: ?为气体密度; V0为来流密度; c为翼型弦长。3? 数值计算3 . 1? 数值方法本文选择相对简单的单方程 Spalar- tA llmaras模型, 该方程使用一个模型输运方程求解动态涡黏性。该模型可以很
6、好地模拟对于求解有壁面影响流动及有逆压力梯度的边界层问题, 在透平机械湍流模拟方面也有较好的结果, Spalar- tA llmaras模型在 F luent中是相对经济的湍流模型 4。S-A模型的求解变量是 v- , 表征出了近壁 (黏性影响 ) 区域以外的湍流运动黏性系数。 v- 输运方程为:?D v-Dt= Gv+1 ?v-? ?xj?+ ?v-?v-?xj+ Cb2?v-?xj-Yu+ Sv-( 3)其中, Gv是湍流粘性产生项; Yu是由于壁面阻挡与粘性阻尼引起的湍流粘性的减少; Sv-是用户自定义原项; ?v-和 Cb2是常数; v是分子运动黏性系数。湍流黏性系数用如下公式计算:
7、?t= ?v- fvl。3 . 2? 计算网格的划分GAMBI T是 FLUENT 的前处理软件, 它的主要功能是生成计算网格。如果计算域网格划分过于稀疏, 将不能准确描述流场的特征, 计算误差大; 当网格数目达到一定程度时, 已可以较好地反映实际情况, 此时若盲目地继续增加网格数目, 不会明显提高计算精度, 反而增加了计算所耗资源, 降低计算速度 5, 6。本算例采用 H 型结构化网格, 对翼型上表面布置 132个节点, 下表面布置 131个节点, 整个流场计算域网格数为 36 240( 其翼型网格如图2)。图 2? 网格划分结果图 3? 升力系数、 阻力系数随来流攻角的变化曲线4? 计算结
8、果及分析翼型升阻比反映了翼型的气动效率, 升阻比越高, 翼型的气动效率越高。从图 4翼型的升阻比随424科? 学 ? 技? 术? 与? 工? 程11卷攻角变化的曲线可以看出, 翼型的升阻比在?= 3? 左右时最高, 这时升阻比大约为 16左右。图 4? 升阻比随来流攻角的变化曲线图 5? 攻角?= 5? 时叶片附近的压强云图图 6? 攻角?= 5? 时叶片附近的速度云图从 ?= 5? 和 ?= 8?的叶片附近压强云图来分析,叶片上表面处于低压区, 下表面比上表面压强高,上下表面的压力差构成了机翼升力。分别比较压强云图和速度云图, 可以看出, 压强高的地方速度小, 而压强低的地方速度大; 说明该
9、计算结果符合流体流动的基本规律。图 7? 攻角?= 8? 时叶片附近的压强云图图 8? 攻角?= 8? 时叶片附近的速度云图5? 结论使用 Ga mbit和 F luent对风力机二维翼型进行了空气动力学分析, 结果符合流体流动的基本规律, 该翼型具有较高的升阻比。掌握了风力机翼型气动性能数值研究的方法; 对该叶片翼型的气动性能进行研究, 为叶片的气动设计提供参考。本文的计算结果有待进一步完善, 网格划分以及计算模型的选取也可以更深入的研究。参? 考? 文? 献1? 孙婷婷, 王红霞, 代泽兵. 垂直轴风力机主轴结构优化设计. 华东电力, 2008 ; 36( 10): 134? 1362?
10、贺德馨. 风工程与工业空气动力学. 北京: 国防工业出版社, 2006 :80?2693? 巫发明, 杨从新, 张玉良, 等. 风力机翼型摩擦阻力数值计算中不同湍流模型的比较研究. 流体机械, 2008 ; 36( 12): 11?14(下转第 0434页 )4252期陈丁刚, 等: 一新型立轴风力机直叶片翼型气动特性数值模拟?Research and Design of theM ine Fire Disaster Decision Support Syste mLIU Jun1,FANG Yuan-m in1, M IAO Fang -fang2( The Kunm ing Univers
11、ity of Science and Techno logy Faculty of Land Resource Eng ineering, Kun m ing 650093, P. R. China;The Zhengzhou University2, Zhengzhou 450001, P. R. China)Abstract?Them ine fire disaster decision support system is an i mportant part of the digitalm ining construction .W hen them ine fire com es,it
12、 w ill bring great property da m age or casualties. Them ine fire disaster route choice isstudied ,the te mperature distributionw ithin the roadway and the spread of smoke . And the decision support syste mbased on B/S model ofW ebGIS three-layer structure is devised .Key words ? m ine fire?avoid di
13、saster path?decision support system? ? WebGIS(上接第 0425页 )4? 韩占忠, 王 ? 敬, 王小平. FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用. 北京: 北京理工大学出版社, 20055?Jameson Antony, M artinelli Luig. i M esh refinement and modeling e- lTors in flow si mulation . A I AA. 96?2050, 19966? 张? 鹏, 马玉清. 用 ANSYS实现二位翼型风洞实验数值模拟. 科学技术与工程, 2008 ; 8( 2): 57
14、0? 574The Numerical Simulation of the Aeroperformance of a New Type Straight Vane Aerofoil on the Vertica- l axisW ind Turbine(VAWT)CHEN Ding-gang , QU Ben -ning, ZHAO Yan -ping( Faculty of Civ ilEng ineering, Kunming University of Science and Technology , Kunm ing 650021 , P. R. China)Abstract ?A n
15、ew type straight vane ofVertica- lAxisW ind turbinewas investigated . The para meters that influ -ence the aeroperfor mancewere discussed using the comm ercial soft ware FLUENT. The relationship between the liftcoefficient ,resistance coefficien, tlift drag ratio of the vane and angle of attack are got to provide reference for aero -dyna m ic opti m ization design of the vane .Key words ?aerofoil?aeroperfor mance? ?numerical si mulation434科? 学 ? 技? 术? 与? 工? 程11卷
