[發明專利]基于PTFE膜對風機葉片氣動特性影響的數值模擬方法

有效

• 申請號: 202011226779.0
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112883503B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 劉建平;向欣;吳建華;孫志禹;朱亞偉;李文偉;李亞靜;吳弘;趙景鑫;吳建平;閔宏偉
• 申請（專利權）人: 中國長江三峽集團有限公司;中國三峽新能源（集團）股份有限公司;南京浩暉高科技有限公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/06;G06F113/08;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 談倩;任立

1.一種基于PTFE膜對風機葉片氣動特性影響的數值模擬方法，其特征在于：采用流體力學計算方法，對基于PTFE納米功能復合膜粘貼覆蓋在大型水平軸風力機葉片表面后對葉片翼型氣動特性和整體氣動性能的影響數值進行模擬計算，包括如下步驟：

(1)選取兩種葉片翼型；

(2)確定葉片的風能捕捉區域在葉片的中部和尖部區域，兩種翼型均按各自展向位置和弦長分布方向選取弦長位置、攻角范圍，同時選取翼型氣動特性計算的雷諾數；

(3)選取基于PTFE納米功能復合膜，膜最大厚度0.26mm，膜表面粗糙度0.18μm；

(4)采用有限體積法對二維不可壓Navier-Stokes方程進行求解，計算狀態為定常狀態，湍流模擬采用SST k-ω模型，翼型的計算網格采用C型結構網格，葉片表面首層網格高度滿足y⁺≈1，首層也即最底層，y⁺為厚度，1為精度；

(5)幾何建模，將翼型邊界沿法向延展膜厚度同等距離，得到新的計算幾何；

(6)對影響數值模擬計算，力矩的作用點選取翼型1/4弦長位置，使翼型抬頭的力矩為正，低頭力矩為負，

翼型升力系數為阻力系數為

俯仰力矩系數為

(7)對兩種風電機組葉片翼型在粘貼覆蓋了基于PTFE納米功能復合膜前后的氣動力系數變化進行對比分析，得出影響數值模擬計算結論。

2.根據權利要求1所述的基于PTFE膜對風機葉片氣動特性影響的數值模擬方法，其特征在于：包括如下步驟：

(1)選取南航NH1500型風電機、美國NRE5000型海上風電機、金風科技GW103-2500型風電機和國電聯合動力UP2000-96型風電機這四種不同容量、型號的風電機組，綜合四種風電機組葉片設計數據，最終選取DU91-W2-250和NACA64-418兩種基礎葉片翼型；

(2)確定葉片的風能捕捉區域在葉片的中部和尖部區域，兩種翼型均按各自展向位置和弦長分布方向選取，弦長位置選取參照UP2000-96型風機葉片的60％R和85％R位置，R為葉片徑向各剖面翼型的弦長，分別為1.65m和1.15m；攻角范圍均為[-4，14]，同時選取翼型氣動特性計算的雷諾數為3.0×10⁶；

(3)選取基于PTFE納米功能復合膜，膜厚度0.26mm，膜表面粗糙度0.18μm；

(4)采用有限體積法對二維不可壓Navier-Stokes方程進行求解，計算狀態為定常狀態，湍流模擬采用SST k-ω模型，翼型的計算網格采用C型結構網格，翼型周向400個網格點，葉片表面首層網格高度為9.0×10^-6m，滿足y⁺≈1，網格總數為30萬；

(5)幾何建模，將翼型邊界沿法向延展0.26mm，得到新的計算幾何；

(6)對影響數值模擬計算，力矩的作用點選取翼型1/4弦長位置，使翼型抬頭的力矩為正，低頭力矩為負，

翼型升力系數為

阻力系數為

俯仰力矩系數為

(7)對兩種風電機組葉片翼型在粘貼覆蓋了基于PTFE納米功能復合膜前后的氣動力系數變化進行對比分析，得出影響數值模擬計算結論：

在線性變化區，基于PTFE納米功能復合膜對翼型的升、阻力及力矩系數基本無影響；在非線性變化區，基于PTFE納米功能復合膜對各氣動參數產生輕微影響，造成升力系數和力矩系數的降低，各氣動力系數的變化百分比均在1.9％之內，影響較小；

從表面粗糙度的角度來看，基于PTFE納米功能復合膜粘貼覆蓋在風機葉片上后，可以起到改善翼型的氣動特性和葉片整體氣動性能作用。