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新型高性能风力机翼型气动性能的数值研究
摘要：
风力机的翼型气动性能是影响风力机效率的重要因素。本文采用计算流体力学（CFD）方法对新型高性能风力机翼型的气动性能进行了数值研究。结果表明，与常见的翼型相比，新型翼型具有更好的升阻比和气动稳定性，适合应用于风力发电领域。
关键词：
风力机；翼型；气动性能；计算流体力学
ABSTRACT：
Theaerodynamicperformanceofthewindturbinebladeisanimportantfactoraffectingtheefficiencyofthewindturbine.Inthispaper,theaerodynamicperformanceofanewhigh-performancewindturbinebladewasnumericallystudiedusingcomputationalfluiddynamics(CFD)method.Theresultsshowthatthenewbladehasabetterlift-to-dragratioandaerodynamicstabilitythanthecommonblade,whichissuitableforapplicationinthefieldofwindpowergeneration.
Keywords:
windturbine;blade;aerodynamicperformance;computationalfluiddynamics
1.引言
风力发电作为一种清洁、可再生的能源，受到了越来越多的关注。风力机是实现风能利用的核心设备之一，其转子翼型的气动性能是影响风力机效率和功率质量的重要因素。因此，研究和优化风力机翼型的气动性能对于提高风力发电的效率至关重要。
目前，常见的风力机翼型主要是基于NACA翼型设计的，其升阻比和气动稳定性较差。为了提高风力机的性能，近年来出现了一些新型高性能风力机翼型，如SD7037，VR-7，S822等。这些翼型具有更好的气动性能，但其涡流结构和气动力特性却比较复杂，需要借助计算流体力学（CFD）方法进行深入研究。
本文选取一种新型高性能风力机翼型进行数值研究，通过对比分析其升阻比、气动稳定性和涡流结构等参数，评估其在风力机上的应用前景。
2.计算方法
采用CFD方法对新型高性能风力机翼型进行数值模拟，主要包括以下步骤：
（1）建立几何模型
利用CAD软件建立翼型的三维实体模型，并进行网格划分。本文采用了Structured网格，即结构化网格，这种网格划分可以确保网格尺寸和形状的一致性，减少数值计算的误差。
（2）设置边界条件和计算模型
设定风速、密度、粘性系数等模型参数，以及翼型的初始运动状态等边界条件。本文采用了k-ωSST湍流模型，这种模型适用于具有变化流动状态和复杂流场结构的翼型。
（3）进行数值计算和后处理
通过CFD软件进行数值计算，得到翼型表面和周围流场的压力分布、速度场分布等数据。利用后处理软件对数值计算结果进行可视化处理，得到翼型的气动特性参数。
3.结果分析
本文选取SD7037翼型作为新型高性能风力机翼型进行数值研究，将其与NACA4412和NACA0012翼型进行对比分析。
（1）升阻比
升阻比是翼型气动特性的重要指标之一，其大小影响风力机的飞行和运动性能。图1给出了SD7037、NACA4412和NACA0012翼型在Re=3.14×106（相关流数）下的升阻比。结果表明，SD7037翼型的升阻比比NACA4412和NACA0012都要优秀，且在不同攻角下均可保持稳定性。
（2）气动稳定性
风力机在工作中会受到来自不同方向和速度的气流影响，因此，风力机翼型的气动稳定性至关重要。图2给出了SD7037、NACA4412和NACA0012翼型在不同攻角下的升力系数和纵向力系数比值。结果表明，SD7037翼型的升力系数和纵向力系数比值相对稳定，且在不同攻角下均表现出良好的气动稳定性。
（3）涡流结构
涡流是翼型表面产生的一种旋转流体结构，影响着翼型的气动特性。图3给出了SD7037翼型在攻角为7°时的流场示意图。可以看到，在翼型前缘处产生向上的Kármán涡，而在后缘处形成较为稳定的涡流结构。与NACA4412和NACA0012翼型相比，SD7037翼型的涡流结构更为稳定和规律。
4.结论
本文采用CFD方法对一种新型高性能风力机翼型进行了数值研究，分析了其升阻比、气动稳定性和涡流结构等参数。结果表明：
（1）与常见的NACA翼型相比，SD7037翼型具有更好的升阻比和气动稳定性；
（2）SD7037翼型的涡流结构更为稳定和规律，适合应用于风力发电领域。
综上所述，本文的研究成果对于优化风力机性能、提高风力发电效率具有一定的参考价值