基于Profili軟件的風(fēng)力機(jī)葉片表面雷諾數(shù)分析

曹利剛，郭改琴

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

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基于Profili軟件的風(fēng)力機(jī)葉片表面雷諾數(shù)分析

曹利剛，郭改琴

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

通過計(jì)算不同的風(fēng)力機(jī)安裝高度、葉片的弦長(zhǎng)和平均風(fēng)速時(shí)的雷諾數(shù)，分析研究得到雷諾數(shù)的變化規(guī)律，從而間接反應(yīng)流體的流態(tài)，這為設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)提供了重要的理論依據(jù).

安裝高度；弦長(zhǎng)；風(fēng)速；雷諾數(shù)

在流體運(yùn)動(dòng)中慣性力和黏性力的比值影響著雷諾數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)的大小可以將流體分為層流和湍流兩種流場(chǎng)[1]61,[2] 11-12.不同的流場(chǎng)葉片的氣動(dòng)性能不相同，風(fēng)力機(jī)的效率就不相同，所以在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)就要充分考慮到雷諾數(shù).Profili是一款翼型的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件[3]40-41，可以計(jì)算出不同的高度、不同的弦長(zhǎng)及不同風(fēng)速時(shí)的雷諾數(shù).所以找出風(fēng)機(jī)的安裝高度、葉片的弦長(zhǎng)和風(fēng)速對(duì)雷諾數(shù)的影響規(guī)律，就能為設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)提供重要的理論參考依據(jù).

1 影響雷諾數(shù)的因素分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量不同，葉片的長(zhǎng)度也就不同，因此安裝風(fēng)力機(jī)葉片的塔架高度也就不同[4]14-15,[5]129，一般情況下高度有幾米、幾十米，有的甚至達(dá)到一百多米.風(fēng)力機(jī)葉片的弦長(zhǎng)是決定風(fēng)機(jī)容量的重要因素之一，其長(zhǎng)度一般在幾十厘米到六七米之間.平均風(fēng)速也是影響風(fēng)機(jī)效率的重要因素，其數(shù)值一般在1 m/s至20 m/s之間.風(fēng)機(jī)安裝高度、葉片弦長(zhǎng)和平均風(fēng)速共同影響著雷諾數(shù)的大小，通過固定兩個(gè)參數(shù)讓第三個(gè)參數(shù)由小到大有規(guī)律的變化，就可以通過Profili軟件計(jì)算出相應(yīng)的雷諾數(shù)[6]29-30,[7]24-25，再通過對(duì)計(jì)算數(shù)值分析研究就可得到雷諾數(shù)的變化規(guī)律.

2 高度對(duì)雷諾數(shù)的影響

假設(shè)風(fēng)速為15 m/s，弦長(zhǎng)為300 cm這兩個(gè)參數(shù)不發(fā)生變化，葉片的安裝高度從5 m到100 m每隔5 m為一個(gè)高度，共計(jì)20個(gè)不同高度.計(jì)算的雷諾數(shù)及其增長(zhǎng)率如表1所示.

表1 不同高度時(shí)的雷諾數(shù)及增長(zhǎng)率

分析表1中高度、雷諾數(shù)和增長(zhǎng)率的相關(guān)數(shù)據(jù)后可得如圖1所示的結(jié)果，容易得到當(dāng)風(fēng)速和弦長(zhǎng)不變時(shí)，隨著高度的等量遞增，相應(yīng)的雷諾數(shù)連成了一條水平直線，可見其數(shù)值幾乎沒有發(fā)生變化；雷諾數(shù)的增長(zhǎng)率也連成了一條水平直線，也沒有發(fā)生變化，說明同一高度的流體狀態(tài)基本相同.通過多次改變假設(shè)條件中的風(fēng)速和弦長(zhǎng)的數(shù)值，當(dāng)高度遞增變化時(shí)得到同樣的結(jié)果，所以這充分說明當(dāng)平均風(fēng)速和葉片的弦長(zhǎng)不變時(shí)，風(fēng)機(jī)的安裝高度不同，但雷諾數(shù)基本相同，也就是流體的流態(tài)基本相同.

圖1 不同高度時(shí)雷諾數(shù)及其增長(zhǎng)率數(shù)據(jù)分析

3 風(fēng)速對(duì)雷諾數(shù)的影響

假設(shè)葉片的安裝高度為50 m不變，葉片的弦長(zhǎng)為300 cm不變，平均風(fēng)速?gòu)? m/s到20 m/s每隔1 m/s變化1個(gè)風(fēng)速，共計(jì)20個(gè)不同風(fēng)速.計(jì)算的雷諾數(shù)及其增長(zhǎng)率如表2所示.

表2 不同風(fēng)速時(shí)的雷諾數(shù)及增長(zhǎng)率

分析表2中風(fēng)速、雷諾數(shù)和增長(zhǎng)率的相關(guān)數(shù)據(jù)后可得如圖2所示的結(jié)果，容易得到當(dāng)高度50 m和弦長(zhǎng)300 cm不變時(shí),隨著風(fēng)速的等量遞增其相應(yīng)的雷諾數(shù)也呈現(xiàn)出等量遞增的變化趨勢(shì)，并與風(fēng)速的變化曲線幾乎重合；雷諾數(shù)的增長(zhǎng)率呈現(xiàn)出一條曲線的變化趨勢(shì)，由風(fēng)速為3 m/s的50%迅速遞減到風(fēng)速為5 m/s的25%，隨后遞減速度迅速減弱，最后達(dá)到20 m/s的5%.通過多次改變假設(shè)條件中的安裝高度和弦長(zhǎng)的數(shù)值，當(dāng)平均風(fēng)速遞增變化時(shí)得到同樣的結(jié)果，所以這充分說明當(dāng)風(fēng)機(jī)安裝高度和葉片的弦長(zhǎng)不變時(shí)，隨著平均風(fēng)速的變化，其對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)也在發(fā)生相同規(guī)律的變化，所以流體的流態(tài)也就發(fā)生了變化，但是隨著風(fēng)速的增加雷諾數(shù)的增長(zhǎng)率在不斷減小，說明隨著風(fēng)速的增加，當(dāng)達(dá)到10 m/s時(shí)流態(tài)基本趨于穩(wěn)定.

圖2 不同風(fēng)速時(shí)雷諾數(shù)及其增長(zhǎng)率數(shù)據(jù)分析

4 弦長(zhǎng)對(duì)雷諾數(shù)的影響

假設(shè)葉片的安裝高度為50 m不變，平均風(fēng)速15 m/s不變，葉片的弦長(zhǎng)從30 cm到540 cm每個(gè)30 cm變化1個(gè)數(shù)值，共計(jì)18個(gè)不同的葉片弦長(zhǎng).計(jì)算的雷諾數(shù)及其增長(zhǎng)率如表3所示.

表3 不同弦長(zhǎng)時(shí)的雷諾數(shù)及增長(zhǎng)率

分析表3中弦長(zhǎng)、雷諾數(shù)和增長(zhǎng)率的相關(guān)數(shù)據(jù)后可得如圖3所示的結(jié)果，容易得到當(dāng)高度50 m和平均風(fēng)速為15 m/s不變時(shí),隨著弦長(zhǎng)的等量遞增其相應(yīng)的雷諾數(shù)也呈現(xiàn)出等量遞增的變化趨勢(shì)，但變化曲線的斜率明顯要小于弦長(zhǎng)變化曲線的斜率；雷諾數(shù)的增長(zhǎng)率呈現(xiàn)出一條曲線的變化趨勢(shì)，由弦長(zhǎng)為90 cm的50%迅速遞減到弦長(zhǎng)為180 cm的20%，隨后遞減速度迅速減弱，最后達(dá)到弦長(zhǎng)為540 cm的6%.通過多次改變假設(shè)條件中的安裝高度和平均風(fēng)速的數(shù)值，當(dāng)葉片弦長(zhǎng)遞增變化時(shí)得到同樣的結(jié)果，所以這充分說明當(dāng)風(fēng)機(jī)安裝高度和平均風(fēng)速不變時(shí)，隨著葉片的弦長(zhǎng)不斷增加，其對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)也在增加，所以流體的流態(tài)也在不斷地發(fā)生變化；但是隨著弦長(zhǎng)的增加雷諾數(shù)的增長(zhǎng)率在不斷減小，當(dāng)弦長(zhǎng)達(dá)到330 cm后，流態(tài)基本趨于穩(wěn)定.

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)平均風(fēng)速和葉片的弦長(zhǎng)不變而高度變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)基本相同，這就說明流體的流態(tài)基本趨于穩(wěn)定；當(dāng)風(fēng)機(jī)的安裝高度和葉片的弦長(zhǎng)不變時(shí)，隨著平均風(fēng)速的變化，雷諾數(shù)也發(fā)生著與風(fēng)速相同的變化規(guī)律，伴隨著流體的流態(tài)也就發(fā)生了變化，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10 m/s時(shí)流態(tài)基本趨于穩(wěn)定；當(dāng)風(fēng)機(jī)安裝高度和平均風(fēng)速不變時(shí)，隨著葉片的弦長(zhǎng)不斷增加，其對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)也在增加，伴隨著流體的流態(tài)也在發(fā)生著變化，弦長(zhǎng)達(dá)到330 cm后，流態(tài)基本趨于穩(wěn)定.

[1] 閔新勇.風(fēng)力機(jī)翼型的氣動(dòng)性能模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[2] 李海峰.風(fēng)力機(jī)專用翼型及其設(shè)計(jì)分析方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[3] 尹耀安.大型風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)與CFD分析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[4] 趙丹平.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片模型氣動(dòng)載荷研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2009.

[5] 冀潤(rùn)景.風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)方法的發(fā)展[J].中國(guó)電力教育，2006(S1).

[6] 吳金明.水平軸馬格努斯風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[7] 沈坤榮.大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯 梧桐雨]

2016-05-30

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2014009A)

曹利剛(1980- )，男，陜西澄城人，楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事水電站自動(dòng)化及流體機(jī)械研究。

1671-8127(2016)05-0075-03

TK83

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