[发明专利]基于PTFE膜对风机叶片气动特性影响的数值模拟方法

权利要求书

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，

翼型升力系数为阻力系数为

俯仰力矩系数为

(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

阻力系数为

俯仰力矩系数为

(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。