10kW风力机叶片翼型气动性能的模拟及其优化_龚曙光

第34卷第10期

2013年10月太阳能学报

ACTA ENEＲGIAE SOLAＲIS SINICA

Vol.34，No．10

Oct．，2013

收稿日期：2011-09-22基金项目：国家自然科学基金（50875223）；湖南省自然科学省市联合基金（11JJ9017）

通讯作者：龚曙光（1964—），男，博士、教授、博士生导师，主要从事多学科结构优化、CAE 技术的理论与应用研究。gongsg@xtu．edu．cn

文章编号：0254-

0096（2013）10-1673-0510kW 风力机叶片翼型气动性能的模拟及其优化

龚曙光，彭秋明，谢桂兰，王

玲

（湘潭大学机械工程学院，湘潭411105）

摘要：根据10kW 风力机的工况，

选取NＲEL 中的S809翼型，分别采用Fluent 软件和XFOIL 法对其气动性能进行模拟分析，并将模拟结果与其风洞实验数据进行对比，结果显示XFOIL 法具有更高的计算精度；根据叶片沿展长方向的不同要求，提出不同展长位置翼型的优化目标，采用XFOIL 法中的反设计优化法，分别对不同位置的翼型进行优化；最后将优化后的翼型结构参数导入GH-Bladed 软件，得到优化前后叶片风能利用系数与叶尖速比之间的关系，从而使优化后的翼型具有更宽的叶尖速比，叶片的气动性能得到改善，所得结果对10kW 风力机叶片的设计具有指导意义。

关键词：风力发电机；叶片；翼型；气动性能；优化中图分类号：TK8

文献标识码：A

0引言

叶片是风力机的关键核心部件，

其设计直接影响风力发电机的风能利用效率。各国学者已开展了

许多相关研究，如Amano ＲS 等［1］

利用CFD 方法模

拟了叶片的气动性能，通过改变叶片的结构轮廓参数，在确保低风速效率的同时，使其在高风速时的效

率得到提高；Johansen Jeppe 等［2］

利用自由尾迹升力

线方法和全三维的Navier-Stokes 求解器，在不考虑

结构的情况下，研究了叶片的最大空气动力效率，使

其功率系数C P 达到0．51以上；Benini Ernesto 等［3］结合叶素理论和多目标进化算法，建立了风场每平

方米发电量最大化和能源成本最小化的优化模型，并对水平轴风力发电机进行了优化设计；Wang Xudong 等［4］基于叶片的结构动力学和叶素动量理论，选择叶片的弦长、扭转角和相对厚度作为设计变量，建立了以能源成本最小化为目标的优化模型；李军向等

［5］

运用动量理论和叶素理论分析了实度、

桨矩角、锥角、倾角和叶片厚度对风轮气动性能的影

响，分析表明，风轮气动性能对实度、桨矩角敏感度高；刘

雄等

［6］

基于叶素动量理论分析了小型风力

机的气动性能分析模型，并提出了叶片的气动优化设计方法；韩中合等

［7］

为了改善风力机在低风速区

域内的输出功率特性，利用遗传算法对1．5MW 风

力机叶片进行了优化设计。可见，通过模拟预测手段改变叶片的相关结构参数，能使风力机适应风场情况，提高风能利用效率。本文首先利用Fluent 软件和涡面元（XFOIL ）法对S809风力机专用翼型进行气动性能的模型，并与已有的风洞实验测试值对比分析，然后建立10kW 直驱风力机叶片翼型的优化模型，采用反设计方法对叶片翼型进行优化。

1模拟方法对比分析

图1所示为Eppler 设计的S809翼型，其风洞实

验由文献［8］给出，翼型的相关参数为：弦长0.6m ，厚度为弦长的21%，

Ma =0．07333，Ｒe =106。分别采用Fluent 软件和XFOIL 法对图1所示模型进行模拟分析，得到翼型的升力系数C l 和阻力系数C d （如图2所示）。从图2可得到：对于XFOIL 法，α≤

8?时，升力系数的预测结果与实验结果相近；α＞8?时，两者之间有一定差距，且没有模拟出实验结果中的失速点；α≤5?时，阻力系数的预期结果与实验相近，α＞5?时，尽管预测结果随攻角的增大而增大，但其值已偏离了实验结果。对于Fluent 方法，α＜5?时，升力系数的预测结果与实验结果相近；α≥5?

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卷

图1

NＲEL S809翼型轮廓图

Fig．1

NＲEL S809

airfoil

图2

Fluent 和XFOIL 计算结果与风洞实验数据［8］的比较Fig．2

Comparing result of Fluent and XFOIL with

wind tunnel test data ［8］

时，升力系数随攻角的增大而增大，但其值与实验结果有差距，

也未模拟出翼型的失速点。阻力系数与实验结果有相似的变化趋势，但其值与实验结果有一定差距，其原因是：在模拟计算时采用了全湍流模型，而在实验中出现了层流模型，从而使由Fluent 法得到的C d 值偏大。从模拟结果的整体来看，与Fluent 法相比，XFOIL 法的模拟结果精度更高，但两

者均未模拟出该翼型在实验时出现的失速点，即采用这两种方法得到的失速点均大于实验值。

2

叶片翼型优化

2．1

叶片的基本参数及优化目标

根据用户需求，

本文所开发10kW 直驱风力机叶片的基本参数为：功率10kW 、额定风速8m /s 、切入风速3．2m /s 、切出风速16m /s 、尖速比为8、风轮

直径10m 。

根据叶片气动性能和强度要求，叶片由沿展长方

向的3种翼型积叠造型而成，

3种翼型的相对厚度t 分别为25%、21%和18%。对于不同的翼型结构，其

优化目标为：当t =18%时，即叶片顶部以追求最大的升阻比为目标；当t =21%时，即叶片中部以追求最大的升力系数C l 为目标；当t =25%时，即叶片根部在追求最大的升力系数C l 的同时要有足够的强度保证。2．2

翼型优化

通过修改翼型上、下表面的速度来保证翼型在不同展长处具有连续较好的气动性能。本文采用XFOIL 软件中反设计模块（MDES ）的全局牛顿迭代法，对10kW 风力机叶片翼型进行优化，其优化过程为：在各自攻角范围内，分别对参考翼型（即S809）前缘的上、下表面和后缘的下表面速度分布进行迭代修正，以达到减少后缘下表面的速度和增大前缘上、下表面的速度的目的，然后将得到的速度分布沿翼型表面进行光滑化处理，最终得到优化后的新翼型。

当t =18%时，通过对该翼型在－8? 13?攻角范围内的压力系数进行模拟计算，发现其强吸力峰

出现在前缘位置，为提高升阻比，参照文献［9］的方

法，可增大翼型前缘半径和弯度以及后部弯度，从而

达到提高升力、延缓失速的目的。通过上述优化方法，对t =18%的翼型进行优化后的对比结构如图3所示，翼型优化前后升力系数C l 对比如图4所示，其升阻比C l /C d 的对比如图5所示，翼型的变化位置如表1所示。

从图4、图5可看到，当翼型相对厚度为18%时，优化后翼型在攻角较大时具有较高的升力系数C l ；在攻角为－3．5? 4．0?时，优化前后的升阻比基本一致，当攻角为4.0? 6.0?时即开始失速阶段，优化后翼型的升阻比低于优化前，而当攻角为6.0? 13.0?时，即严重失速阶段，新翼型的升阻比高于优

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10期龚曙光等：10kW

风力机叶片翼型气动性能的模拟及其优化

图3t =18%时优化前后的翼型对比图

Fig．3

Airfoil before and after optimizing when t =

18%

图4

翼型优化前后C l 对比图

Fig．4

Lift coefficient before and after airfoil

optimizing

图5翼型C l /C d 对比图Fig．5

Lift-drag ratio of airfoil

化前，且其失速过程更加缓和。当相对厚度t =21%时，在较大攻角时优化后翼型的升力系数得到提高，当攻角为－5．5? 5．0?，优化前后翼型的升阻比一致，同时其失速角延迟，即从6.0?提高到8.0?，提高了风力机的风能捕获能力，当攻角为6.5? 13.0?时，新翼型的升阻比提高，且失速特性更加缓和。当相对厚度t =25%时，优化后得到的新翼型在攻角为8.0? 13.0?时，其升力系数提高较大；当攻角为－7.0? 0.0?，优化前后翼型的升阻比一致，且其失

速角延迟；攻角在8.5? 13.0?时，优化后翼型的升阻比高于原翼型，同时其工作区域更宽。

表1优化前后翼型结构参数的对比

Table 1

Comparison of airfoil structural parameter

相对位置t =18%

t =21%

t =25%

优化前优化后优化前优化后优化前优化后最大厚度位置38．0%弦长处32．1%弦长处37．9%弦长处32．9%弦长处38．0%弦长处31．1%弦长处最大弯度位置81．5%弦长处86．0%弦长处81．5%弦长处85．2%弦长处81．5%弦长处85．7%弦长处前缘半径

0．5219%弦长

1．2758%弦长

0．8863%弦长

1．2795%弦长

1．1928%弦长

1．4051%弦长

3结果讨论

从图3 图5可看出，翼型的前缘半径对升力系数和失速特性影响较大；随着翼型最大相对厚度的前移，最大升力系数增大，后移则会减少最小阻力。可以通过增加弯度的方法来提升最大升力系数C lmax ，但对于具有不同最大弯度位置、最大厚度位置、前缘半径、相对厚度的翼型，其最大升力系数的增幅也不同，如在前缘半径较小、翼型较薄的情况下，增加弯度对提高升力系数具有非常明显的作用，同时将最大弯度位置前移，也可获得较大的最大升力系数C lmax 。

将优化前后得到的翼型结构参数导入GH-Bladed 软件中，得到的叶片风能利用系数与叶尖速比之间的关系曲线如图6所示。

由图6可看到，优化前当叶尖速比在8．0 10.0范围内，叶片有最高的风能利用系数，其最大值为0．45；优化后当尖速比在7.0 9.0范围内时，叶片有最高的风能利用系数，最大值为0．47。优化前叶片在叶尖速比为7．9 10．1时，能保证风能利用系数大于0．43；而优化后叶片的风能利用系数要大于0．43的叶尖速比为6．7 10．0，这说明叶片在优化后的风速利用范围更宽，其气动性能得到改善，气动效率更高。

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图6

风能利用系数与叶尖速比之间的关系曲线Fig．6

Curve between blade tip speed ratio and wind energy utilization coefficient

4结论

本文针对研发的10kW 风力机，首先对所选择的

S809翼型分别采用Fluent 软件和XFOIL 法进行气动性能的模拟分析，模拟结果显示XFOIL 法在模拟叶片气动性能时具有更高的精度；然后根据叶片沿展长方向的不同需求设置优化目标，对相对厚度分别为18%、21%和25%时的翼型，采用XFOIL 的反设计方法进行优化，结果表明，优化后的叶片结构具有更宽的风速范围，且其气动效率提高，所得结果对10kW 风力机叶片结构设计具有重要的参考价值和指导意义。

［参考文献］

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10期龚曙光等：10kW风力机叶片翼型气动性能的模拟及其优化

SIMULATION OF AEＲODYNAMIC PEＲFOＲMANCE AND

OPTIMIZATION OF AIＲFOIL FOＲ

10kW WIND TUＲBINES BLADE

Gong Shuguang，Peng Qiuming，Xie Guilan，Wang Ling

（School of Mechanical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan411105，China）

Abstract：Based on the operating characteristics of developed10kW wind turbine，the S809airfoil was chosen from NＲEL airfoil families，and simulation analysis of aerodynamic performance of S809was carried out by using Fluent software and XFOIL method，respectively．The obtained simulation results were compared with the given wind tunnel test data．The comparison results show that XFOIL method has a higher accuracy．According to the different requirements of blade along the length direction，the corresponding optimal objection was presented．The optimization of airfoil structure was achieved by adopting the anti-design optimization method in XFOIL method．Finally，the optimized structural parameter of airfoil was imported in GH-Bladed software，and the relationship between blade tip speed ratio and wind energy utilization coefficient was built for optimizing airfoil．The optimized airfoil has a wider tip speed ratio，and the aerodynamic performance of blade is improved．The results have a guiding significance for blade design of10kW wind turbine．

Keywords：wind turbines；blade；airfoil；aerodynamic performance；optimization