风力机叶片流场模型建立

齐肖璐

由于风力机叶片附近的流场都处在一个不均匀的流场中，所以风力机叶片在进行气动模拟过程中，需要对叶片周围的流场状态建立湍流模型。湍流模型是在脉动运动方程和雷诺平均运动方程上来建立的封闭的方程组，我们用这个方程组来描述流场的一个状态。

   本文应用了标准的湍流模型来模拟叶片的外部流场。这个模型有两大特点，分别是良好的收敛性和稳定性，这两个模型现在分别是工程流场分析中的重要工具，并且应用范围非常大。这个模型需要分别来计算两个变量值，分别为速度和长度，为方程模型中的湍流动能，为双方程模型中的湍流耗散率。这个方程如下所示：

(1.1)

(1.2)

               (1.3)

式中，为湍流粘度，为气流密度；为张力的常量，均为混合函数，又对的自由剪切流动状态进行了修正。

一、叶片的数据

这个风力机叶片为常规叶片，它采用的是NACN－4412的翼型，以叶片长度方向为X轴建立翼型坐标系，如图1-1所示。本文叶片模型沿展向共计28个截面。需要的参数分别为：剖面位置r、弦长c、扭角φ和厚度。因为所分的截面较多，所以选VB软件中的VSFlexGfid表格控件，并建立和EXCEL软件接口，这样可以直接导人EXCEL表数据。

对给定翼型，每一个截面上各个选中点的坐标分别由它的弦长确定，如图(1-1)所示。

图1-1 叶片的截面坐标

Fig.1-1 Airfoil surface coordinates

二、叶片三维模型

在VB软件的基础上建立CATIA应用程序接口，建立叶片的大体轮廓，如图(1-2)所示，然后对叶片轮廓进行曲率优化调整得到叶片具体信息的三维实体模型，如图(1-3)。针对CATIA软件的选用是由于它是一款专门为航空业开发的一款三维造型软件，它的曲面造型功能非常强大。所以在风力机的叶片建模中由于叶片每个截面各个位置的参数都不相同，是弧面的，所以各个点之间的过渡成为建模关键。通常我们用的三维造型软件是通过把数据输入到三维造型软件中进行点，线和面的链接[5]，对模型的精确化很难实现。而CATIA软件的曲线造型功能确大大提高了建模效率。

图1-2 叶片线框架   图1-3 叶片三维实体模型

Fig.1-2 Lineframework of bladeFig.1-3 Three-dimensional entity model of the blade

三 、结论：本文应用了CATIA软件对风力机叶片的外形轮廓进行三维实体建模，可以为进一步的数值模拟分析打下基础。（作者单位：河北大学附属医院）