采用三维激光扫描仪(加拿大Creaform公司)扫描家燕翅膀, 提取家燕翅膀距翅根25%处的翼型作为“ 仿生翼型” 。将标准100 W水平轴风力机叶片(深圳市绿电康科技有限公司)等间距截断, 并利用扫描仪进行截断面扫描, 获取截面翼型扫描图, 提取标准风力机叶片翼型作为“ 标准翼型” 。

采用ICEM-CFD软件进行网格划分, 用计算流体力学软件Fluent进行数值模拟。计算域采用大尺度流场, 计算模型选择Spalart-Allmaras模型。空气视为不可压缩流, 计算域采用速度入口和压力出口。模拟所用翼型取弦长c=1 m, 计算域由半径为12.5c的半圆区域和长20c、宽25c的矩形区域构成。网格划分采用C型网格, 翼型前缘、尾缘和壁面处进行网格加密处理, 以提高计算精度。模拟计算的雷诺数Re取10⁵。图1为二维模拟计算域及网格图。

图1

Fig.1

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	图1 计算域及网格Fig.1 Calculated domain and grid of airfoil

图2

Fig.2

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	图2 翼型升力系数与升阻比曲线Fig.2 Curves of lift coefficients and lift-drag ratio of airfoils

标准翼型和仿生翼型的气动特性模拟计算结果如图2所示, 图2(a)为标准翼型和仿生翼型升力系数随攻角变化的曲线, 由图2(a)可知, 标准翼型与仿生翼型升力系数变化趋势一致, 均随攻角的增大呈现先增大后减小的趋势, 在攻角为8° 左右出现最大值。在0° ~20° 攻角变化范围内, 仿生翼型升力系数均高于标准翼型。标准翼型最大升力系数C_Lmax为0.7845, 仿生翼型最大升力系数为1.6671, 仿生翼型最大升力系数是标准翼型的2.13倍。图2(b)为标准翼型和仿生翼型升阻比随攻角变化的曲线, 由图2(b)可知, 标准翼型与仿生翼型升阻比均随攻角增大呈现先增大后减小的趋势, 在0° ~20° 攻角变化范围内, 仿生翼型升阻比均高于标准翼型。标准翼型在攻角约为5° 时, 升阻比达到最大值, 最大升阻比C_L/C_Dmax为18.1776; 仿生翼型在攻角约为3° 时, 升阻比达到最大值, 最大升阻比为26.2426, 仿生翼型最大升阻比是标准翼型的1.44倍。

图3为翼型表面静压力图, 由图可知, 翼型上表面为负压区, 下表面为正压区, 有助于翼型获得升力。

图3

Fig.3

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	图3 攻角为3° 时翼型静压力云图Fig.3 Static pressure nephogram of airfoils at angle of attack of 3°

图4为不同攻角下翼型表面静压力曲线, 由图可知, 在不同攻角下, 仿生翼型静压力曲线包围面积均比标准翼型大, 即上下表面压力差均高于标准翼型, 使仿生翼型在攻角范围内升力系数始终比标准翼型高。

图4

Fig.4

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	图4 翼型表面静压力曲线Fig.4 Static pressure curves of airfoils

图5为攻角为5° 、10° 和15° 时标准翼型和仿生翼型流线图。随着攻角的增大, 标准翼型和仿生翼型上表面气流发生分离, 翼型尾缘发生分离现象, 出现分离涡, 并且分离涡逐渐向前移动。在攻角达到15° 时, 标准翼型上表面气流自翼型前缘部分几乎与翼型发生分离, 分离涡范围较大, 而仿生翼型上表面有40%以上未与气流发生分离, 只在翼型中后部发生分离, 说明仿生翼型失速特性优于标准翼型, 能更大程度地适应小型风力机复杂的运行工况, 有效延迟风力机叶片失速。

图5

Fig.5

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	图5 翼型流线图Fig.5 Streamlines of airfoils

仿生叶片设计根据Glauert设计理论, 直接采用仿生翼型对100 W标准风力机叶片翼型进行替换, 所替换的仿生翼型弦长与标准翼型弦长保持一致。标准100 W风力机叶片长为550 mm, 叶根部分为0~50 mm, 叶展部分为50~550 mm, 将标准叶片叶展10等分, 测出每个截面翼型弦长c。为使翼型更加适应风力机叶片设计工况, 避免大风速下风力机叶片失速, 选择升力系数设计值为其最大升力系数的70%~80%。根据图2中最大升力系数C_Lmax=1.6671, 升力系数设计值C_L=1.3337, 最大升阻比时攻角为3° , 由Glauert理论计算安装角, 完成叶片设计。

图6为基于标准叶片, 利用仿生翼型进行仿生设计的风力机叶片三维重构图。

图6

Fig.6

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	图6 风力机仿生叶片重构模型Fig.6 Reconstruction model of bionic blade

叶片数值模拟计算采用计算流体力学软件Fluent, 选取SST k-ω 模型, 忽略发电机舱、塔架等对风力机叶轮的影响, 只对叶轮进行三维流场数值模拟。计算域选用半径为2R的圆柱区域, 如图7所示, 其中R为叶轮半径, 速度进口区域距离叶轮为R, 压力出口区域为4R。计算域流场采用速度入口、压力出口, 入口速度选择额定风速12 m/s, 出口压力设置为正常外界大气压。图8为计算网格图。

图7

Fig.7

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	图7 计算区域及边界条件Fig.7 Calculated domain and boundary conditions

图8

Fig.8

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	图8 计算网格图Fig.8 Calculated grid

图9

Fig.9

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	图9 风力机叶片表面静压力分布图Fig.9 Static pressure nephogram of wind turbine blades

图9为风速在12 m/s时标准风力机叶片和仿生风力机叶片表面静压力分布图。由图可知:风力机叶片迎风面主要为正压力, 风力机叶片背风面主要为负压力, 两者产生压力差, 从而推动风力机叶片旋转。风力机叶片旋转时, 压力主要分布在叶片中上部, 靠近翼型前缘为主要压力区域。叶片中部至尖部是主要输出功率部位, 叶片根部主要是提供足够的强度。标准风力机叶片表面压力主要分布在叶片中上部, 靠近叶片翼型前缘部分, 自叶片翼型前缘至尾缘, 呈带状分布, 压力值逐渐减小, 主要压力区域压力值为330 Pa。风轮中心压力值较叶片尖部压力值小, 全部叶轮中心区域压力值为137 Pa。仿生叶片表面压力主要分布在叶片中上部且靠近叶片翼型前缘, 呈带状向翼型尾缘方向减小, 主要压力区域压力值为330 Pa, 同时叶片压力自叶片尖部至叶根部逐渐减小, 与标准叶片相同。

图10为风速在12 m/s时仿生叶片和标准叶片距叶根分别为0.4 m、0.5 m处的翼型压力图。由图可知, 仿生叶片翼型上下表面压力差均大于标准叶片, 使得叶片的效率明显提高。

图10

Fig.10

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	图10 叶片翼型压力分布图Fig.10 Pressure distributions of wind turbine blades

采用木工雕刻机, 对木质材料进行三维曲面雕刻, 加工标准风力发电机叶片和仿生风力发电机叶片。图11为所加工叶片。

图11

Fig.11

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	图11 加工的小型风力机叶片Fig.11 Small wind turbine blades

针对100 W小型水平轴风力机叶片效率测试实验要求以及参数特性, 搭建室内小型水平轴风力机测试平台。测试系统主要由轴流风机、风速计、转速计、变频器、电子负载、整流堆等组成, 轴流风机提供风源。实验在外界风场大小方向均稳定的情况下, 测试不同风速下标准风力机和仿生风力机的转速和功率。

图12、图13分别为标准叶片和仿生叶片功率和转速随风速变化的曲线。标准叶片和仿生叶片在风速为2 m/s左右时, 开始有输出功率, 并且随着风速的增加, 功率增大, 且在整个测试风速范围内, 同风速下的仿生叶片输出功率均高于标准叶片, 平均提高25%。在启动阶段, 仿生叶片转速较标准叶片小。随着风速的增加, 仿生叶片转速曲线斜率增加, 转速逐渐与标准叶片转速一致。仿生叶片能够以较低的转速输出较高的功率, 并且随着风速的增加, 仿生叶片功率输出提升更为明显, 具有较好的气动性能。

图12

Fig.12

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	图12 功率随风速变化曲线Fig.12 Curves of power output

图13

Fig.13

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	图13 转速随风速变化曲线Fig.13 Curves of rotation rate