一种不同湍流度下风力机翼型气动力方法及系统

技术领域

本发明涉及风力机设计技术领域，特别涉及一种不同湍流度下风力机翼型气动力方法及系统。

背景技术

风力机叶片是由翼型构成的，翼型气动性能将直接影响着风力机叶片吸收风能的能力，进而影响发电效率。来流湍流度是影响风力机结构稳定和发电效率的重要影响因素，因此开展湍流度对风力机翼型气动性能影响的研究具有十分重要的工程意义。

在实际运行中，风力机处于自然风湍流和风电场中其它风力发电机组尾流干扰之中，沿海风电场及山区风电场中的风力机实际运行时的湍流强度多处于10％以上，这不仅会影响风力机结构的稳定性，还将会导致风力机输出功率的降低，因此在风力机叶片设计时需要充分考虑来流湍流度对风力机专用翼型气动特性的影响，因此如何计算不同湍流度下风力机翼型的气动力，成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种不同湍流度下风力机翼型气动力计算方法及系统，以实现不同湍流度下风力机翼型的气动力的计算。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种不同湍流度下风力机翼型气动力计算方法，所述计算方法包括如下步骤：

分别在不同的湍流度下测量风力机的翼型表面每个测压点的风压；

根据翼型表面每个测压点的风压计算翼型的升力系数和阻力系数，获得不同湍流度下的升力系数和阻力系数；

分别对每个湍流度下的升力系数和阻力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型；

根据待测量的风力机所处的高度，计算待测量的风力机受到的湍流度；

根据待测量的风力机受到的湍流度，利用不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型，获取待测量的风力机的翼型的升力系数和阻力系数。

可选的，所述根据翼型表面每个测压点的风压计算翼型的升力系数和阻力系数，获得不同湍流度下的升力系数和阻力系数，具体包括：

根据翼型表面每个测压点的风压，利用公式

根据翼型表面每个测压点的风压系数，利用公式

根据翼型表面每个测压点的风压系数，利用公式

可选的，所述分别对每个湍流度下的升力系数和阻力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型，具体包括：

对每个湍流度下的升力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型f(x)为：f(x)＝a

其中，x表示攻角，a

对每个湍流度下的阻力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的阻力系数拟合模型f'(x)为：f'(x)＝b

其中，b

可选的，所述根据待测量的风力机所处的高度，计算待测量的风力机受到的湍流度，具体包括：

根据待测量的风力机所处的高度，利用公式

其中，

一种不同湍流度下风力机翼型气动力计算系统，所述计算系统包括：

风压测量模块，用于分别在不同的湍流度下测量风力机的翼型表面每个测压点的风压；

升力系数和阻力系数计算模块，用于根据翼型表面每个测压点的风压计算翼型的升力系数和阻力系数，获得不同湍流度下的升力系数和阻力系数；

函数拟合模块，用于分别对每个湍流度下的升力系数和阻力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型；

湍流度计算模块，用于根据待测量的风力机所处的高度，计算待测量的风力机受到的湍流度；

升力系数和阻力系数拟合获取模块，用于根据待测量的风力机受到的湍流度，利用不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型，获取待测量的风力机的翼型的升力系数和阻力系数。

可选的，所述升力系数和阻力系数计算模块，具体包括：

风压系数计算子模块，用于根据翼型表面每个测压点的风压，利用公式

升力系数计算子模块，用于根据翼型表面每个测压点的风压系数，利用公式

阻力系数计算子模块，用于根据翼型表面每个测压点的风压系数，利用公式

可选的，所述函数拟合模块，具体包括：

升力系数拟合模型获取模块，用于对每个湍流度下的升力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型f(x)为：f(x)＝a

其中，x表示攻角，a

阻力系数拟合模型获取模块，用于对每个湍流度下的阻力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的阻力系数拟合模型f'(x)为：f'(x)＝b

其中，b

可选的，所述湍流度计算模块，具体包括：

湍流度计算子模块，用于根据待测量的风力机所处的高度，利用公式

其中，

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种不同湍流度下风力机翼型气动力计算方法及系统，所述计算方法包括如下步骤：分别在不同的湍流度下测量风力机的翼型表面每个测压点的风压；根据翼型表面每个测压点的风压计算翼型的升力系数和阻力系数，获得不同湍流度下的升力系数和阻力系数；分别对每个湍流度下的升力系数和阻力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型；根据待测量的风力机所处的高度，计算待测量的风力机受到的湍流度；根据待测量的风力机受到的湍流度，利用不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型，获取待测量的风力机的翼型的升力系数和阻力系数。本发明根据测量的风压计算升力系数和阻力系数，然后进行函数拟合，获得不同湍流度下的升力系数拟合模型和阻力系数拟合模型，根据待测量的风力机的湍流度选择对应的升力系数拟合模型和阻力系数拟合模块，即可直接计算出翼型的气动力的升力系数和阻力系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种不同湍流度下风力机翼型气动力计算方法的流程图；

图2为本发明提供的NRELS810翼型测点布置图；

图3为本发明提供的升力系数曲线图；

图4为本发明提供的阻力系数曲线图；

图5为本发明提供的升力系数拟合模型图；

图6为本发明提供的阻力系数拟合模型图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种不同湍流度下风力机翼型气动力计算方法及系统，以实现不同湍流度下风力机翼型的气动力的计算。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种不同湍流度下风力机翼型气动力计算方法，所述计算方法包括如下步骤：

步骤101，分别在不同的湍流度下测量风力机的翼型表面每个测压点的风压。

来流湍流度会对翼型的升、阻力系数产生显著影响。湍流度Iμ是流体的一种流动状态。当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合，形成湍流，又称为乱流、扰流或紊流。由于本发明研究的风力发电机应用于山区部分区域，属B类地貌，湍流度沿高度的分布按下列式计算：

式中，α为地面粗糙度指数，对应于A、B、C和D类地貌，分别取为0.12、0.15、0.22和0.30；I

根据计算公式得到不同高度处的湍流度如下表1所示：

表1 B类地貌不同高度处的湍流度

发现台风风场的湍流度基本小于或者等于建筑荷载设计规范中规定的湍流度。

具体参数：设计NRELS810翼型节段模型，采用ABS板制作，取模型弦长c为50cm，模型共计80个测压点，如图2所示。

以试验湍流度范围能够包含实际翼型所处湍流度环境为原则，选取试验最大湍流度为13.0％＞12.2％，其他湍流度工况由风洞背景湍流度(小于0.4％)均匀流连续增大，分别为2.3％，4.6％，8.5％，11.0％至13.0％。试验在STU-1风洞低速试验段进行，通过风洞测压试验测得作用在模型表面的风压，通过积分的方法可以得到作用在模型上的气动力。

步骤102，根据翼型表面每个测压点的风压计算翼型的升力系数和阻力系数，获得不同湍流度下的升力系数和阻力系数。

步骤102所述根据翼型表面每个测压点的风压计算翼型的升力系数和阻力系数，获得不同湍流度下的升力系数和阻力系数，具体包括：

根据翼型表面每个测压点的风压，利用公式

根据翼型表面每个测压点的风压系数，利用公式

根据翼型表面每个测压点的风压系数，利用公式

步骤103，分别对每个湍流度下的升力系数和阻力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型。

试验表明，在低雷诺数下，湍流度不同时，翼型的升力系数随攻角的变化趋势是相同的，均随攻角增大先呈线性增长，当风攻角增加到一定角度时升力系数开始急剧下降，翼型产生失速现象。但湍流度不同，升力系数的开始下降时对应的风攻角数值不同，最大升力系数也不同。NRELS810翼型的升、阻力变化曲线如图3和图4所示。

将图3中不同湍流度下翼型的升力系数进行拟合，得到不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型f(x)为：f(x)＝a

升力系数拟合模型的拟合参数的取值见表2。

表2升力系数拟合模型的拟合参数

将图3中不同湍流度下翼型的阻力系数进行拟合，得到不同湍流度下的以攻角为变量的阻力系数拟合模型f'(x)为：f'(x)＝b

其中，b

表3阻力系数拟合模型的拟合参数

通过表2与公式(3)相结合以及表3与公式(4)可以得到不同湍流度下翼型的升阻力系数，拟合的结果如图5和图6所示，可见拟合误差较小，所有参数标准误差控制在1.5％以内。

步骤104，根据待测量的风力机所处的高度，计算待测量的风力机受到的湍流度；

步骤104所述根据待测量的风力机所处的高度，计算待测量的风力机受到的湍流度，具体包括：根据待测量的风力机所处的高度，利用公式

步骤105，根据待测量的风力机受到的湍流度，利用不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型，获取待测量的风力机的翼型的升力系数和阻力系数。

根据图5和图6可以直观地得到不同湍流度下翼型对应的升阻力系数，通过查看表2和表3中的参数，可以估算出翼型的升、阻力系数。

一种不同湍流度下风力机翼型气动力计算系统，所述计算系统包括：

风压测量模块，用于分别在不同的湍流度下测量风力机的翼型表面每个测压点的风压；

升力系数和阻力系数计算模块，用于根据翼型表面每个测压点的风压计算翼型的升力系数和阻力系数，获得不同湍流度下的升力系数和阻力系数。

所述升力系数和阻力系数计算模块，具体包括：风压系数计算子模块，用于根据翼型表面每个测压点的风压，利用公式

函数拟合模块，用于分别对每个湍流度下的升力系数和阻力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型。

所述函数拟合模块，具体包括：升力系数拟合模型获取模块，用于对每个湍流度下的升力系数进行函数拟合，获得不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型f(x)为：f(x)＝a

湍流度计算模块，用于根据待测量的风力机所处的高度，计算待测量的风力机受到的湍流度。

所述湍流度计算模块，具体包括：湍流度计算子模块，用于根据待测量的风力机所处的高度，利用公式

升力系数和阻力系数拟合获取模块，用于根据待测量的风力机受到的湍流度，利用不同湍流度下的以攻角为变量的升力系数拟合模型和以攻角为变量的阻力系数拟合模型，获取待测量的风力机的翼型的升力系数和阻力系数。

本发明通过风洞试验的方法测得翼型实际不同湍流环境下的升、阻力系数变化曲线，用四次多项式和九次多项式将试验结果拟合得到相应的计算公式。据此可以计算出实际工程中翼型不同湍流度下的升、阻力系数，用于在风力发电机叶片设计中，使用NRELS810翼型时，对叶片的设计提供数据参考。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。