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库仑定律和万有引力定律都遵从二次方反比规律,但人们至今还不能说明它们的这种相似性.要点诠释:1.适用条件:真空中的点电荷.点电荷也是一个理想化的模型,是一& 基于FLUENT的NA63A系列翼型气动特性对比分析
基于FLUENT的NA63A系列翼型气动特性对比分析
摘 要：利用计算流体力学软件FLUENT6．3．2对在风力发电领域应用较为广泛的NA63A系列翼型的外部流场进行数值模拟，采用Spalar-S．Allmaras湍流计算模型求解该系列翼型在不同攻角下的压力、速
【题　名】基于FLUENT的NA63A系列翼型气动特性对比分析
【作　者】李国威 陈扬
【机　构】辽宁工程技术大学机械工程学院 阜新123000 中国有色（沈阳）泵业有限公司 沈阳110144
【刊　名】《世界科技研究与发展》2011年 第5期 849-853页　共5页
【关键词】NA63A系列翼型 气动特性 水平轴风力机
【文　摘】利用计算流体力学软件FLUENT6．3．2对在风力发电领域应用较为广泛的NA63A系列翼型的外部流场进行数值模拟，采用Spalar-S．Allmaras湍流计算模型求解该系列翼型在不同攻角下的压力、速度分布。进而对NA63A系列不同翼型在相同攻角下以及网种翼型在不同攻角下的气动特性进行对比分析并总结规律，为该类翼型的性能研究提供了一定的理论依据。
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NA63A系列翼型,气动特性,水平轴风力机
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风能是一种清洁且储量非常丰富的可再生资源。目前，风能的利用主要以风力发电为主，提高风力发电的效率，降低风力发电的成本，是能否有效利用风能的一个关键所在。叶轮是风力发电机捕捉风能的核心部件，叶片翼型的气动性能直接影响着风力机风能的利用效率。因此，研究风轮叶片翼型的气动性能是研究叶片性能的基础。本项研究的目的，是为承担的天津市重点基础研究项目《风光能源复合发电装置的研制及应用》（中国发明专利ZL9）其中垂直轴风能结构的叶片翼型选型，提供动力学模型选型方法和评价依据。
1 翼型介绍
风力机叶片翼型设计理论是决定风力机功率特性和气动特性的根本因素，一直是风电行业以及航空行业学者们研究的热点。现有翼型的表达都是通过离散的点来实现的，并不存在函数的具体表达形式，新翼型的设计也是基于原有的翼型坐标，对其进行调整，以获得性能更为优越的翼型。
本文借鉴已有工作对称翼型对于小型垂直轴风机效率的有益影响，选择NACA0012对称翼型，在gambit软件中对翼型进行建模，及在fluent软件中进行数值模拟计算。NACA0012翼型的二维翼型图如图所示：
图1 NACA0012翼型的二维翼型图
2 翼型气动性能
当气流流经翼型叶片时，由于攻角的变化，从而形成对于对称翼型的不对称不平衡的空气动力学压力分差：即对称翼型叶片上一侧表面气流速度增高，压力下降；而对称翼型叶片上另一侧表面几乎保持原来的气流压力，于是叶片受到了不对称的作用力，可分解为与气流方向平行的阻力D和与气流方向垂直的升力L，正是升力L同阻力D的力差合力，从而形成了推动风能结构旋转的动力力矩。其中升力系数和阻力系数表示如下：
file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.gif
file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.gif
其中：file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.gif—空气密度&&file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image009.gif—来流速度&&file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image011.gif—翼型弦长
3 控制方程与湍流模型
采用FLUENT软件，对风机叶片翼型进行气动数值模拟分析和研究，找到风力机叶片翼型的气动性能特点和规律。FLUENT软件的理论基础是计算流体力学（CED），数值计算的控制方程是二维连续性方程、二维N-S方程和二维能量方程。本文只考虑了翼型的静态绕流情况，对翼型的定常特性进行CFD计算，因此选择稳态的RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程作为流动的控制方程。
连续性方程：file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image013.gif
N-S方程：file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.gif
file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image017.gif
能量方程：
file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image019.gif
式中file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.gif——空气密度
file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.gif、file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.gif为气体速度矢量在x、y方向的分量
4 模型建立和边界条件的设定
本文数值模拟采用NACA0012翼型，计算网格为C型结构化网格。使用网格划分软件Gambit，将翼型NACA0012的数据导入，构建C型远场，如图2，进行结构化网格划分，做出整个流场的网格，在翼型表面分布220个节点，整个二维模型的网格单元为16980。计算区域延伸到离翼型表面10倍于翼型弦长的位置，其外边界作为压力远场来处理，翼型表面为无滑移绝热边界；设定进口边界为速度的进口边界条件，速度为无穷远处的来流风速；由于计算区域相对弦长较大，选择自由出流为出口的边界条件。完成2D网格划分。采用Fluent软件行进数值模拟计算，本例中采用稳态分离求解器，选用Spalart-Allmaras湍流模型，雷诺数为3×106。
图2翼型远场边界图& && && && && && &图3翼型网格分布图
5 计算结果及分析
计算时，通过改变来流方向来改变攻角的大小，分析了攻角在0°-18°范围时，NACA0012翼型的空气动力学特性，包括升阻系数，速度云图，如图4所示
图4&&升阻力系数随来流攻角的变化
叶型最重要的气动参数是升力系数和阻力系数，风吹在翼型上时翼型产生升力L和阻力D。随着攻角α的增加，升力系数逐渐增加，而阻力系数随攻角的增加而变化缓慢，当攻角增加到某一临界值αr时，升力系数突然减少而阻力系数急剧增加，此时，叶片处于失速现象。在实际中，当风力机叶片出现失速时，其噪声会突然增大，引起风力机的振动和运行不稳定现象。因此，风力机的设计和运行时要控制风力机的各种参数使风力机在失速点内运行。由上图可以看出NACA0012翼型在攻角为15°时升力系数达到最大值，随攻角的继续增加升力系数开始下降，而阻力系数则急剧上升，翼型的气动性能开始恶化，由此可见NACA0012翼型在雷诺数为3×106时的失速攻角应该在15°左右。
file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.gif=3°& && && && && && && && && &file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.gif=5°
file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.gif=7°& && && && && && && && &&&file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.gif=10°
file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.gif=15°& && && && && && && && && && &file:///C:/Users/HEXIAO~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.gif=18°
图5 不同攻角翼型流体的速度矢量图
图5给出了攻角分别为3°、5°、7°、10°、15°和18°时二维绕翼型流体的速度分布图，反映出不同攻角下该翼型的绕流流动特性。
当攻角为（0°&α&3°）时，流体附着在翼型的表面并未发生分离，此时，翼型两侧上下表面压力相差很小，所以升力很小。当攻角为5°时，翼型上下表面压差增大，翼型尾缘出现分离现象。随着攻角的增大，翼型尾部的分离涡向前移动，翼型的吸力面和压力面压差逐渐增大。当攻角为10°时，速度矢量在翼型的后缘吸力面处显示边界层分离的情形，但由于这时分离涡量还很小。由流体力学知识可知，形成升力主要靠翼型吸力面和压力面上的压差造成，摩擦作用很小，所以这时的升力也是逐渐增大的。而阻力由压差阻力和摩擦阻力两部分组成，这时翼型上下面的压差还很小，总的阻力主要是摩擦阻力，所以阻力变化不大。从速度矢量图上可以看出，当攻角的增大到15°时，前缘的分离非常明显并出现较长的尾涡，受回流影响的区域也逐渐扩大。此时翼型上下表面压差较大，升力系数接近最大值。当攻角增大到18°时，整个翼型吸力面上的边界层都发生了分离，并且分离尾涡在翼型的后缘上又重新附着在边界上，形成了所谓的二次涡，在翼型吸力面上形成两个主要回流区，使得翼型吸力面与压力面的压差减小，因此升力系数下降。
由此分析可知，翼型表面绕流的速度分布图正好解释图4中升力系数、阻力系数与攻角的变化关系。
6 结论本文利用Gambit对NACA0012翼型进行二维建模，并利用Fluent对其进行数值模拟计算，得出了雷诺数为3×106时，翼型NACA0012的升力系数和阻力系数随来流攻角的变化关系以及翼型绕流的流动特性。通过翼型升力系数和阻力系数曲线图得出失速攻角，并且通过翼型绕流特性得到叶片气流流动细节和现象，从而获得影响风力机效率的基本因素数据，为项目承担的风光能源复合发电装置的垂直轴风能结构部分叶片的翼型选型和设计提供了重要方法和基础依据。
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