基于预条件技术的风力机叶片计算方法研究

方案设计流程图，图3则为dos窗口下的计算软件界面。

3.计算结果

算例验证模型选用风力机标准叶片$809，叶片弦长为1m。来流空气的马赫数0.12，属于不可压范围，雷诺数为2e6。图4给出了计算域划分图，计算域的上下边界为15倍弦长，为保证网格的正交性，计算域前部采用“c”结构，流体出口边界距离原点为30倍弦长。边界条件由远场及壁面组成。图5给出了网格示意，包括整体网格及风力机叶片前后缘局部网格，第一层网格距离壁面约为，总的网格数约为6万。边界条件可由文本文件读人，本文给定为壁面及远场边界条件。图6给出了加入预条件技术后的残值收敛历程。从图中可以看出在添加预条件技术后，速度残值先下降，之后趋于平稳，并出现一个上升的波峰，但随着迭代步的推进，残值迅速下降，各个变量的残值均位于10^-3量级以下。也表明预条件技术可以改善动量方程的收敛性，获取较优的速度解，从而改善连续、能量方程迭代情况，最终使整个流场趋于真实物理解，而这与预条件技术提出的“初衷”是一致的。

图7给出了0度攻角下流场计算收敛后所统计出的叶片上下表面压力系数，其中“Exp”表示实验值，“Numerical”表示本文所开发程序计算结果。从图7可以看出，除极个别点外，本文计算压力系数不但分布趋势与实验走向一致，而且计算结果的精度与实验值吻合良好，验证了所开发程序的正确性。

图8为$809叶片在攻角为0-10度条件下的升力系数计算结果，从图中可以看出，在小攻角角度下升力系数与实验值吻合良好，在攻角为8度时计算值与实验室出现一定误差，随着攻角增加，误差开始变大，这是因为此时风力机叶片上表面尾缘处开始出现分离流动，数值计算结果的精确性完全取决于S-A湍流模型对该分离流模拟的真实性。但就小攻角计算结果而言，计算值与实验值吻合精确。

图9为0度攻角下流线分布图，此时流场没有出现分离现象，整体流动按照叶片设计工况发展，图中红圈蓝色箭头显示为前缘驻点。图10为攻角10度下的流线分布，可以看到前缘驻点下移，在接近叶片尾缘处出现分离泡，其范围折合x坐标约为0.93至0.994。

4.结论

本文研究一种用于风力机叶片气动性能评估的计算方法，给出了推导的预条件矩阵结果，通过若干算例验证所开发程序正确性，得到结论如下：

（1）加入预条件矩阵以后，在低速流条件下，可压缩算法可以很快收敛，原因在于预条件技术可以改善动量方程的收敛性，获取较优的速度解；

（2）本文所开发的程序计算所获取的叶片压力分布系数与实验值吻合良好，同时计算小攻角条件下的升力系数与实验值一致，在攻角变大时会产生一定误差，此时尾缘出现分离，因此湍流模型及雷诺平均应力NS方程模拟对真实流场的模拟能力影响计算精度。考虑到工程实际需求，下一步需开发不同湍流模型用以大攻角下升力系数计算研究。

（3）考虑到风力机叶片气动性能对风电机组功率输出具有重要意义和价值，针对风力机选型设计工作的需求，本文所开发的工具可用于工程风力机叶片气动性能分析，有利于风力机设计工作开展。