田為軍，王驥月，李 明，陳思遠，劉方圓，叢 茜

（1.吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室，長春130022；2.吉林大學 機械科學與工程學院，長春130022）

0 引 言

葉片作為風力機的關(guān)鍵部件，由不同的翼型截面構(gòu)成，翼型氣動特性的好壞直接影響葉片的性能，是葉片設(shè)計的關(guān)鍵［1］。傳統(tǒng)風力機葉片設(shè)計直接采用航空翼型，20 世紀90 年代，美國、丹麥、荷蘭等國家先后研究出風力機專用翼型組NACA、Ris、FFA 等系列風力機專用翼型，專用翼型的提出與設(shè)計改善了風力機的運行工況，提高了低風速下的功率，改善了高風速下的失速性能［2－4］。鳥類飛行時具有低阻力、高升力的特性，將海鷗、長耳鸮等典型鳥類的低阻力、高升力特性應(yīng)用到葉片設(shè)計上，對風力機葉片進行仿生設(shè)計是提高風力機效率的有效方法［5－9］。

小型風力機研究對于解決邊遠地區(qū)人們的生活用電有著重要的作用，在我國新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，小型風力機到2015年要形成5 萬臺的年生產(chǎn)能力，市場擁有量累計裝機10.5萬千瓦［10］，因此小型風力機研究具有極大的潛在市場和重要的現(xiàn)實意義。本文基于家燕翼型，對100 W 小型風力機葉片進行仿生設(shè)計，以獲得一種新的性能優(yōu)良的仿生風力機葉片。

1 翼型選取及氣動性能計算

1.1 翼型提取

采用三維激光掃描儀（加拿大Creaform 公司）掃描家燕翅膀，提取家燕翅膀距翅根25%處的翼型作為“仿生翼型”。將標準100 W 水平軸風力機葉片（深圳市綠電康科技有限公司）等間距截斷，并利用掃描儀進行截斷面掃描，獲取截面翼型掃描圖，提取標準風力機葉片翼型作為“標準翼型”。

1.2 計算方法

采用ICEM－CFD 軟件進行網(wǎng)格劃分，用計算流體力學軟件Fluent進行數(shù)值模擬。計算域采用大尺度流場，計算模型選擇Spalart－Allmaras模型?？諝庖暈椴豢蓧嚎s流，計算域采用速度入口和壓力出口。模擬所用翼型取弦長c＝1m，計算域由半徑為12.5c的半圓區(qū)域和長20c、寬25c的矩形區(qū)域構(gòu)成。網(wǎng)格劃分采用C 型網(wǎng)格，翼型前緣、尾緣和壁面處進行網(wǎng)格加密處理，以提高計算精度。模擬計算的雷諾數(shù)Re取105。圖1 為二維模擬計算域及網(wǎng)格圖。

1.3 結(jié)果與分析

圖1 計算域及網(wǎng)格Fig.1 Calculated domain and grid of airfoil

圖2 翼型升力系數(shù)與升阻比曲線Fig.2 Curves of lift coefficients and lift－drag ratio of airfoils

標準翼型和仿生翼型的氣動特性模擬計算結(jié)果如圖2所示，圖2（a）為標準翼型和仿生翼型升力系數(shù)隨攻角變化的曲線，由圖2（a）可知，標準翼型與仿生翼型升力系數(shù)變化趨勢一致，均隨攻角的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在攻角為8°左右出現(xiàn)最大值。在0°～20°攻角變化范圍內(nèi)，仿生翼型升力系數(shù)均高于標準翼型。標準翼型最大升力系數(shù)CLmax為0.7845，仿生翼型最大升力系數(shù)為1.6671，仿生翼型最大升力系數(shù)是標準翼型的2.13倍。圖2（b）為標準翼型和仿生翼型升阻比隨攻角變化的曲線，由圖2（b）可知，標準翼型與仿生翼型升阻比均隨攻角增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在0°～20°攻角變化范圍內(nèi)，仿生翼型升阻比均高于標準翼型。標準翼型在攻角約為5°時，升阻比達到最大值，最大升阻比CL／CDmax為18.1776；仿生翼型在攻角約為3°時，升阻比達到最大值，最大升阻比為26.2426，仿生翼型最大升阻比是標準翼型的1.44倍。

圖3為翼型表面靜壓力圖，由圖可知，翼型上表面為負壓區(qū)，下表面為正壓區(qū)，有助于翼型獲得升力。

圖3 攻角為3°時翼型靜壓力云圖Fig.3 Static pressure nephogram of airfoils at angle of attack of 3°

圖4 為不同攻角下翼型表面靜壓力曲線，由圖可知，在不同攻角下，仿生翼型靜壓力曲線包圍面積均比標準翼型大，即上下表面壓力差均高于標準翼型，使仿生翼型在攻角范圍內(nèi)升力系數(shù)始終比標準翼型高。

圖5為攻角為5°、10°和15°時標準翼型和仿生翼型流線圖。隨著攻角的增大，標準翼型和仿生翼型上表面氣流發(fā)生分離，翼型尾緣發(fā)生分離現(xiàn)象，出現(xiàn)分離渦，并且分離渦逐漸向前移動。在攻角達到15°時，標準翼型上表面氣流自翼型前緣部分幾乎與翼型發(fā)生分離，分離渦范圍較大，而仿生翼型上表面有40%以上未與氣流發(fā)生分離，只在翼型中后部發(fā)生分離，說明仿生翼型失速特性優(yōu)于標準翼型，能更大程度地適應(yīng)小型風力機復(fù)雜的運行工況，有效延遲風力機葉片失速。

圖4 翼型表面靜壓力曲線Fig.4 Static pressure curves of airfoils

圖5 翼型流線圖Fig.5 Streamlines of airfoils

2 葉片仿生設(shè)計及氣動性能分析

2.1 葉片仿生設(shè)計

仿生葉片設(shè)計根據(jù)Glauert設(shè)計理論，直接采用仿生翼型對100 W 標準風力機葉片翼型進行替換，所替換的仿生翼型弦長與標準翼型弦長保持一致。標準100 W 風力機葉片長為550 mm，葉根部分為0～50mm，葉展部分為50～550 mm，將標準葉片葉展10 等分，測出每個截面翼型弦長c。為使翼型更加適應(yīng)風力機葉片設(shè)計工況，避免大風速下風力機葉片失速，選擇升力系數(shù)設(shè)計值為其最大升力系數(shù)的70%～80%。根據(jù)圖2中最大升力系數(shù)CLmax＝1.6671，升力系數(shù)設(shè)計值CL＝1.3337，最大升阻比時攻角為3°，由Glauert理論計算安裝角，完成葉片設(shè)計。

圖6為基于標準葉片，利用仿生翼型進行仿生設(shè)計的風力機葉片三維重構(gòu)圖。

圖6 風力機仿生葉片重構(gòu)模型Fig.6 Reconstruction model of bionic blade

2.2 數(shù)值模擬方法

葉片數(shù)值模擬計算采用計算流體力學軟件Fluent，選取SST k－ω 模型，忽略發(fā)電機艙、塔架等對風力機葉輪的影響，只對葉輪進行三維流場數(shù)值模擬。計算域選用半徑為2R 的圓柱區(qū)域，如圖7所示，其中R 為葉輪半徑，速度進口區(qū)域距離葉輪為R，壓力出口區(qū)域為4R。計算域流場采用速度入口、壓力出口，入口速度選擇額定風速12m／s，出口壓力設(shè)置為正常外界大氣壓。圖8為計算網(wǎng)格圖。

圖7 計算區(qū)域及邊界條件Fig.7 Calculated domain and boundary conditions

圖8 計算網(wǎng)格圖Fig.8 Calculated grid

2.3 葉片氣動性能分析

圖9 風力機葉片表面靜壓力分布圖Fig.9 Static pressure nephogram of wind turbine blades

圖9 為風速在12m／s時標準風力機葉片和仿生風力機葉片表面靜壓力分布圖。由圖可知：風力機葉片迎風面主要為正壓力，風力機葉片背風面主要為負壓力，兩者產(chǎn)生壓力差，從而推動風力機葉片旋轉(zhuǎn)。風力機葉片旋轉(zhuǎn)時，壓力主要分布在葉片中上部，靠近翼型前緣為主要壓力區(qū)域。葉片中部至尖部是主要輸出功率部位，葉片根部主要是提供足夠的強度。標準風力機葉片表面壓力主要分布在葉片中上部，靠近葉片翼型前緣部分，自葉片翼型前緣至尾緣，呈帶狀分布，壓力值逐漸減小，主要壓力區(qū)域壓力值為330Pa。風輪中心壓力值較葉片尖部壓力值小，全部葉輪中心區(qū)域壓力值為137Pa。仿生葉片表面壓力主要分布在葉片中上部且靠近葉片翼型前緣，呈帶狀向翼型尾緣方向減小，主要壓力區(qū)域壓力值為330Pa，同時葉片壓力自葉片尖部至葉根部逐漸減小，與標準葉片相同。

圖10為風速在12m／s時仿生葉片和標準葉片距葉根分別為0.4m、0.5m 處的翼型壓力圖。由圖可知，仿生葉片翼型上下表面壓力差均大于標準葉片，使得葉片的效率明顯提高。

圖10 葉片翼型壓力分布圖Fig.10 Pressure distributions of wind turbine blades

3 風力機葉片效率實驗

3.1 實驗方法

采用木工雕刻機，對木質(zhì)材料進行三維曲面雕刻，加工標準風力發(fā)電機葉片和仿生風力發(fā)電機葉片。圖11為所加工葉片。

圖11 加工的小型風力機葉片F(xiàn)ig.11 Small wind turbine blades

針對100 W 小型水平軸風力機葉片效率測試實驗要求以及參數(shù)特性，搭建室內(nèi)小型水平軸風力機測試平臺。測試系統(tǒng)主要由軸流風機、風速計、轉(zhuǎn)速計、變頻器、電子負載、整流堆等組成，軸流風機提供風源。實驗在外界風場大小方向均穩(wěn)定的情況下，測試不同風速下標準風力機和仿生風力機的轉(zhuǎn)速和功率。

3.2 結(jié)果與分析

圖12、圖13 分別為標準葉片和仿生葉片功率和轉(zhuǎn)速隨風速變化的曲線。標準葉片和仿生葉片在風速為2m／s左右時，開始有輸出功率，并且隨著風速的增加，功率增大，且在整個測試風速范圍內(nèi)，同風速下的仿生葉片輸出功率均高于標準葉片，平均提高25%。在啟動階段，仿生葉片轉(zhuǎn)速較標準葉片小。隨著風速的增加，仿生葉片轉(zhuǎn)速曲線斜率增加，轉(zhuǎn)速逐漸與標準葉片轉(zhuǎn)速一致。仿生葉片能夠以較低的轉(zhuǎn)速輸出較高的功率，并且隨著風速的增加，仿生葉片功率輸出提升更為明顯，具有較好的氣動性能。

圖12 功率隨風速變化曲線Fig.12 Curves of power output

圖13 轉(zhuǎn)速隨風速變化曲線Fig.13 Curves of rotation rate

4 結(jié) 論

（1）基于家燕翅膀的仿生翼型可以提高風力機葉片翼型的升力系數(shù)和升阻比，翼型氣動性能有明顯改善。

（2）隨著攻角的增加，標準翼型和仿生翼型均會發(fā)生表面氣流分離，出現(xiàn)分離渦，但仿生翼型分離渦范圍小于標準翼型，具有較好的失速特性。

（3）風力機葉片數(shù)值模擬和效率實驗表明，仿生翼型所具有的優(yōu)良氣動特性對于葉片性能提升具有重要的作用?；诜律硇驮O(shè)計的仿生葉片中上部翼型上下表面壓力差明顯高于標準葉片，大的壓力差可以提供大的升力，從而使得葉片效率顯著提高，該結(jié)果與風力機效率試驗結(jié)果較為吻合。

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