CN112883503B - 基于ptfe膜对风机叶片气动特性影响的数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于PTFE膜对风机叶片气动特性影响的数值模拟方法，涉及高分子复材技术领域，通过选取风电机组、叶片翼型和基于PTFE纳米功能复合膜；设置风能捕捉区域的数值模拟计算网格和计算区域；确定主要计算参数和气动特性计算的雷诺数；建立翼型边界沿法向延展0.26mm（膜厚度）的几何模型，获得新的计算几何；采用流体力学计算方法和有限体积法进行计算；获得影响数值模拟计算结果。以空气动力学和结构动力学为基础，对基于PTFE纳米功能复合膜对叶片翼型气动特性和叶片整体气动性能进行影响数值模拟计算，为新材料、新技术在风力发电应用中提供科学依据。

Description

基于PTFE膜对风机叶片气动特性影响的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及高分子复合材料技术领域，特别是涉及一种基于PTFE膜对风机叶片气动 特性影响的数值模拟方法。
背景技术
风电是一种资源潜力巨大、技术基本成熟的清洁能源，在优化能源结构、减排温室气 体、应对气候变化方面发挥着重要作用。截止2018年底，我国的风电装机容量已经达到2.1 亿千瓦时，风电显然已经成为我国推进能源转型的核心内容、应对气候变化的重要途径，是 落实生态优先、绿色发展的重要举措，也是我国深入推进能源生产和消费革命、促进大气污 染防治的重要手段。我国风电的上网电价全部通过了竞争方式，极大地激励了风电产业的规 模化发展，促进了公平竞争和优胜劣汰，进一步推动了风电产业健康可持续发展。然而，风 电上网电价又是一把双刃剑，上网电价水平的确定，使得上网电价竞争激烈，必然会促进风 电企业更加注重风电项目资源状况、装备技术水平和发电成本等因素，只有通过科技创新， 才能实现风能资源的高效利用。
风机叶片是风电机组的关键部件，在风电机组的风能捕捉量、提高风电安全与经济效 益中起着至关重要的作用。在风电领域，围绕叶片翼型气动性能的相应研究和实验有许多： 丹麦国家实验室R.P.J.O.M.van Rooij等，针对3种不同厚度的叶片翼型，提出了一种运用内 侧效应方法分析在叶片弦长10％处的表面灰尘对翼型敏感位置的影响；丹麦国家实验室和 W.A.Timmer等，在不同雷诺数下得出叶片翼型升力系数随雷诺数增大而增加的规律结论；清 华大学包能胜等，在叶片翼型表面局部增加粗糙度并通过风洞实验室分析不同分布位置、不 同数值大小粗糙度对叶片气动性能的影响，深入研究了翼型的表面粗糙度形成原理和普遍理 论，得出粗糙度带布置长度为10％弦长时系数变化最明显的结论；兰州理工大学李仁年，根 据数值方法研究了DU-95-W2-180叶片翼型的二维粗糙度表面的空气动力性能，得出在叶片 翼型尾缘处附近增加粗糙度可提高DU-95-W2-180叶片翼型的升力系数的结论；日本东海学 院NAGAISHI Akira等，以水平轴风机叶片为研究对象，进行气动性能风洞实验，得到非对 称流在圆翼型边界的转折点位置导致部分升力系数、阻力系数的梯度变化并称之为“粗糙度”， 得出粗糙度厚度增大后，最大升力变化量发生在低攻角处，对雷诺数变得更高的结论。
通过对国内外文献的分析可知，目前关于大型风电机组叶片翼型气动性能的研究较为 成熟，但都是以叶片表面具有原有的常规涂层表面粗糙度为研究对象和实验基础，得出的结 论是叶片翼型在常规涂层下的表征粗糙度的相关概念和实验结果，获得的粗糙度对叶片翼型 气动性能的影响结论也不统一。而对于在风机叶片表面粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合 膜后，叶片翼型气动特性和整体气动性能的影响数值计算分析几近空缺。
风机叶片现有的表面涂层技术及其材料，远不能满足提升叶片翼型特性和整体气动性 能、提高风能利用系数、风电提质增效的迫切需要。随着科学技术突飞猛进，材料科学的突 破必然会涌现出许多先进的功能性新材料。风电上网电价因素的倒逼，同样也将会促进风电 行业在实现风能资源高效利用上，运用科技创新开发出的更多新材料、新技术。以空气动力 学和结构动力学为基础，及时开展对运用了新材料、新技术的风机叶片翼型气动特性和整体 气动性能的影响数值模拟计算和科学研究，为新材料、新技术在风力发电上的运用提供科学 依据已迫在眉睫。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于PTFE膜对风机叶片气动特性影响的数 值模拟方法，采用流体力学计算方法，对基于PTFE纳米功能复合膜粘贴覆盖在大型水平轴 风力机叶片表面后对叶片翼型气动特性和整体气动性能的影响数值进行模拟计算，包括如下 步骤：
(1)选取两种叶片翼型；
(2)确定叶片的风能捕捉区域在叶片的中部和尖部区域，两种翼型均按各自展向位置和弦长分 布方向选取弦长位置、攻角范围，同时选取翼型气动特性计算的雷诺数；
(3)选取基于PTFE纳米功能复合膜，膜最大厚度0.26mm，膜表面粗糙度0.18μm；
(4)采用有限体积法对二维不可压Navier-Stokes方程进行求解，计算状态为定常状态，湍流模 拟采用SST k-ω模型，翼型的计算网格采用C型结构网格，叶片表面首层网格高度满足y+≈ 1；
(5)几何建模，将翼型边界沿法向延展膜厚度同等距离，得到新的计算几何；
(6)对影响数值模拟计算，力矩的作用点选取翼型1/4弦长位置，使翼型抬头的力矩为正，低 头力矩为负，
翼型升力系数为；
Figure BDA0002762134790000021
阻力系数为；
Figure BDA0002762134790000031
俯仰力矩系数为；
Figure BDA0002762134790000032
(7)对两种风电机组叶片翼型在粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后的气动力系数变化 进行对比分析，得出影响数值模拟计算结论。
技术效果：本发明以空气动力学和结构动力学为基础，在大型风电机组叶片上粘贴覆 盖了基于PTFE纳米功能复合膜后，对基于PTFE纳米功能复合膜对叶片翼型气动特性和叶 片整体气动性能进行影响数值模拟计算，为新材料、新技术在风力发电应用中提供科学依据。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，包括如下步骤：
(1)选取四种不同容量的风电机组：南航1.5MW-H1500风电机组和2.5MW风电机组、美国可 再生能源实验室5MW海上风电机组和2MW风电机组，参照四种风电机组叶片设计数据， 最终选取荷兰Delft大学DU91-W2-250和航空常用NACA64-418两种基础叶片翼型；
(2)确定叶片的风能捕捉区域在叶片的中部和尖部区域，两种翼型均按各自展向位置和弦长分 布方向选取，弦长位置选取参照UP2000-96型风机叶片的60％R和85％R位置，R为叶片径 向各剖面翼型的弦长，分别为1.65m和1.15m；攻角范围均为[-4，14]，同时选取翼型气动特 性计算的雷诺数为3.0×106；
(3)选取基于PTFE纳米功能复合膜，膜厚度0.26mm，膜表面粗糙度0.18μm；
(4)采用有限体积法对二维不可压Navier-Stokes方程进行求解，计算状态为定常状态，湍流模 拟采用SST k-ω模型，翼型的计算网格采用C型结构网格，翼型周向400个网格点，叶片表 面首层网格高度为9.0×10-6m，满足y+≈1(首层也即最底层，y+为厚度，1为精度)，网格总 数为30万；
(5)几何建模，将翼型边界沿法向延展0.26mm，得到新的计算几何；
(6)对影响数值模拟计算，力矩的作用点选取翼型1/4弦长位置，使翼型抬头的力矩为正，低 头力矩为负，
翼型升力系数为；
Figure BDA0002762134790000033
阻力系数为；
Figure BDA0002762134790000041
俯仰力矩系数为；
Figure BDA0002762134790000042
(7)对两种风电机组叶片翼型在粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后的气动力系数变化 进行对比分析，得出影响数值模拟计算结论：
在线性变化区，基于PTFE纳米功能复合膜对翼型的升、阻力及力矩系数基本无影响；在非 线性变化区，基于PTFE纳米功能复合膜对各气动参数产生轻微影响，造成升力系数和力矩 系数的降低，各气动力系数的变化百分比均在1.9％之内，影响较小；
从表面粗糙度的角度来看，基于PTFE纳米功能复合膜粘贴覆盖在风机叶片上后，可以起到 改善翼型的气动特性和叶片整体气动性能作用。
本发明的有益效果是：
(1)本发明从基础的二维翼型出发，对典型雷诺数下两款大型水平轴风电机组叶片常用翼型 在粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后的叶片升力系数、阻力系数及力矩系数进行了 数值计算和对比分析，进而总结得出基于PTFE纳米功能复合膜粘贴覆盖在大型水平轴风机 叶片表面后，对叶片翼型气动特性和整体气动性能影响数值计算的结论；
(2)本发明可对所有大型水平轴风电机组叶片翼型的气动特性和整体气动性能进行数值模拟 计算。
附图说明
图1为DU91-W2-250翼型和NACA64-418翼型示意图；
图2为数值模拟的计算域示意图；
图3为DU91-W2-250翼型和NACA64418翼型附近网格细节图；
图4为DU91-W2-250翼型粘贴覆盖膜效果示意图(翼型尾缘细节，斜线代表膜，膜厚度 0.26mm)；
图5为翼型气动力示意图；
图6为基于PTFE纳米功能复合膜对DU91-W2-250翼型升力系数的影响示意图；
图7为基于PTFE纳米功能复合膜对DU91-W2-250翼型阻力系数的影响示意图；
图8为基于PTFE纳米功能复合膜对DU91-W2-250翼型力矩系数的影响示意图；
图9为基于PTFE纳米功能复合膜对NACA64418翼型升力系数的影响示意图；
图10为基于PTFE纳米功能复合膜对NACA64418翼型升力系数的影响示意图；
图11为基于PTFE纳米功能复合膜对NACA64418翼型升力系数的影响示意图。
具体实施方式
本实施例提供的基于PTFE膜对风机叶片气动特性影响的数值模拟方法，包括如下步 骤：
选取四种不同容量的风电机组：南航1.5MW-H1500风电机组和2.5MW风电机组、美国可再 生能源实验室5MW海上风电机组和2MW风电机组，参照四种风电机组叶片设计数据，最 终选取荷兰Delft大学DU91-W2-250和航空常用NACA64-418两种基础叶片翼型，如图1；确定叶片的风能捕捉区域在叶片的中部和尖部区域，两种翼型均按各自展向位置和弦长分布 方向选取，弦长位置选取参照UP2000-96型风机叶片的60％R和85％R位置，R为叶片径向各剖面翼型的弦长，分别为1.65m和1.15m，攻角范围均为[-4，14]，翼型相关参数见表1， 同时考虑到兆瓦级风力机的运行工况，选取翼型气动特性计算的雷诺数为3.0×106；
表1翼型和主要计算参数
翼型 DU91-W2-250 NACA64-418
弦长c(m) 1.65 1.15
攻角范围α(°) [-4，14] [-4，14]
复合膜厚度(mm) 0.26 0.26
选取基于PTFE纳米功能复合膜，膜厚度0.26mm，膜表面粗糙度0.18μm，叶片翼型粘贴覆 盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后的外形变化较小，如图4所示；
采用有限体积法对二维不可压Navier-Stokes方程进行求解，计算状态为定常状态，湍流模拟 采用SST k-ω模型，翼型的计算网格采用C型结构网格，翼型周向400个网格点，叶片表面 首层网格高度为9.0×10-6m，满足y+≈1(首层也即最底层，y+为厚度，1为精度)，网格总数 为30万，数值模拟的计算域如图2所示，两个翼型附近网格细节如图3所示；
几何建模，将翼型边界沿法向延展0.26mm，得到新的计算几何；
翼型气动力如图5所示，对影响数值模拟计算，力矩的作用点选取翼型1/4弦长位置，使翼 型抬头的力矩为正，低头力矩为负，
翼型升力系数为；
Figure BDA0002762134790000051
阻力系数为；
Figure BDA0002762134790000061
俯仰力矩系数为；
Figure BDA0002762134790000062
对两种风电机组叶片翼型在粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后的气动力系数变化进 行对比分析，得出影响数值模拟计算结论。
DU91-W2-250翼型在粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后气动力系数的变化对 比如图6-8所示，非线性区气动系数的具体结果见表2，可以看出基于PTFE纳米功能复合膜 对风电机组DU91-W2-250翼型的气动力参数影响较小：
1)粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后的升力系数、阻力系数和力矩系数的曲线在线 性区即迎角范围[-4°,8°]基本完全重合，仅在非线性区(即大于8°攻角)略有差别；
2)在非线性区，粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜后的翼型的升力系数相较于未粘贴覆 盖基于PTFE纳米功能复合膜的翼型的曲线出现轻微下降，升力系数CL减小的最大值为 1.611％，力矩系数CM减小的最大值为1.514％；
3)粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜后的翼型的阻力系数和力矩系数曲线相较于原干净 翼型的曲线则出现微小幅度增长，阻力系数最大增长百分比为0.45％，低头俯仰力矩系数最 大减小2.9077％；
表2 DU91-W2-250翼型粘贴覆盖基于PTFE纳米功能复合膜前后气动力系数对比
Figure BDA0002762134790000063
NACA64418翼型在粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后气动力系数的变化对比 如图9-11所示，非线性区气动系数的具体结果见表3，可以看出：
1)基于PTFE纳米功能复合膜对风电机组NACA64418翼型的气动力参数影响与DU91-W2-250翼型结果相似，在线性区，粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后升力系数、阻力系数的曲线基本完全重合；
2)在非线性区，粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜后翼型的升力系数、阻力系数及力矩 系数曲线相较于未粘贴覆盖基于PTFE纳米功能复合膜的翼型的曲线均出现轻微降低，力矩 系数相较于未粘贴覆盖基于PTFE纳米功能复合膜的叶片则略升高，升力系数CL最大降低 1.247％，阻力系数CD最大降低1.712％，低头俯仰力矩系数CM减小的最大百分比为2.794％；
表3 NACA64418翼型气动力系数结果对比
Figure BDA0002762134790000071
综上，DU91-W2-250和NACA64418两种典型的风电机组叶片翼型在粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后气动特性的变化：在线性变化区，基于PTFE纳米功能复合膜对翼型的升、阻力及力矩系数基本无影响；在非线性变化区，基于PTFE纳米功能复合膜则对各气动参数产生轻微影响，造成升力系数和力矩系数的降低，各气动力系数的变化百分比均在 1.9％之内，影响较小。基于PTFE纳米功能复合膜的表面粗糙度为0.18um，虽具有多重纳米 级和微米级尺寸的凹凸几何状超微结构形貌，仍远低于常规叶片表面涂层表面0.70-0.75的表 面粗糙度，表面微观比常规叶片表面涂层具有更好的润滑度，所以如果从表面粗糙度的角度 来看，基于PTFE纳米功能复合膜的粘贴覆盖在风机叶片上后，可以起到改善翼型的气动特 性和叶片整体气动性能作用。
基于PTFE纳米功能复合膜是一种粘贴覆盖在风机叶片表面，能够改善叶片翼型气动 特性和整体气动性能，提高风能利用效率，使叶片能在最佳状态下运行，并具有增加叶片表 面整体强度，起到整体固定作用，提高叶片整体承载能力和抵御外物侵蚀能力，消除叶片老 化、开裂等安全隐患的高分子膜材料。本发明对基于PTFE纳米功能复合膜对风机叶片翼型 气动特性和气动性能的影响数值模拟计算，能够为风电行业运用新技术、新材料实现风能资 源高效利用提供科学计算依据，促进新技术、新材料的推广应用和风电行业的提质增效。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的 技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于PTFE膜对风机叶片气动特性影响的数值模拟方法，其特征在于：采用流体力学计算方法，对基于PTFE纳米功能复合膜粘贴覆盖在大型水平轴风力机叶片表面后对叶片翼型气动特性和整体气动性能的影响数值进行模拟计算，包括如下步骤：
(1)选取两种叶片翼型；
(2)确定叶片的风能捕捉区域在叶片的中部和尖部区域，两种翼型均按各自展向位置和弦长分布方向选取弦长位置、攻角范围，同时选取翼型气动特性计算的雷诺数；
(3)选取基于PTFE纳米功能复合膜，膜最大厚度0.26mm，膜表面粗糙度0.18μm；
(4)采用有限体积法对二维不可压Navier-Stokes方程进行求解，计算状态为定常状态，湍流模拟采用SST k-ω模型，翼型的计算网格采用C型结构网格，叶片表面首层网格高度满足y+≈1，首层也即最底层，y+为厚度，1为精度；
(5)几何建模，将翼型边界沿法向延展膜厚度同等距离，得到新的计算几何；
(6)对影响数值模拟计算，力矩的作用点选取翼型1/4弦长位置，使翼型抬头的力矩为正，低头力矩为负，
翼型升力系数为
Figure FDA0003130524290000011
阻力系数为
Figure FDA0003130524290000012
俯仰力矩系数为
Figure FDA0003130524290000013
(7)对两种风电机组叶片翼型在粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后的气动力系数变化进行对比分析，得出影响数值模拟计算结论。
2.根据权利要求1所述的基于PTFE膜对风机叶片气动特性影响的数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)选取南航NH1500型风电机、美国NRE5000型海上风电机、金风科技GW103-2500型风电机和国电联合动力UP2000-96型风电机这四种不同容量、型号的风电机组，综合四种风电机组叶片设计数据，最终选取DU91-W2-250和NACA64-418两种基础叶片翼型；
(2)确定叶片的风能捕捉区域在叶片的中部和尖部区域，两种翼型均按各自展向位置和弦长分布方向选取，弦长位置选取参照UP2000-96型风机叶片的60％R和85％R位置，R为叶片径向各剖面翼型的弦长，分别为1.65m和1.15m；攻角范围均为[-4，14]，同时选取翼型气动特性计算的雷诺数为3.0×106；
(3)选取基于PTFE纳米功能复合膜，膜厚度0.26mm，膜表面粗糙度0.18μm；
(4)采用有限体积法对二维不可压Navier-Stokes方程进行求解，计算状态为定常状态，湍流模拟采用SST k-ω模型，翼型的计算网格采用C型结构网格，翼型周向400个网格点，叶片表面首层网格高度为9.0×10-6m，满足y+≈1，网格总数为30万；
(5)几何建模，将翼型边界沿法向延展0.26mm，得到新的计算几何；
(6)对影响数值模拟计算，力矩的作用点选取翼型1/4弦长位置，使翼型抬头的力矩为正，低头力矩为负，
翼型升力系数为
Figure FDA0003130524290000021
阻力系数为
Figure FDA0003130524290000022
俯仰力矩系数为
Figure FDA0003130524290000023
(7)对两种风电机组叶片翼型在粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合膜前后的气动力系数变化进行对比分析，得出影响数值模拟计算结论：
在线性变化区，基于PTFE纳米功能复合膜对翼型的升、阻力及力矩系数基本无影响；在非线性变化区，基于PTFE纳米功能复合膜对各气动参数产生轻微影响，造成升力系数和力矩系数的降低，各气动力系数的变化百分比均在1.9％之内，影响较小；
从表面粗糙度的角度来看，基于PTFE纳米功能复合膜粘贴覆盖在风机叶片上后，可以起到改善翼型的气动特性和叶片整体气动性能作用。
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