[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

说明书

本发明公开了基于PTFE膜对风机叶片气动特性影响的数值模拟方法，涉及高分子复材技术领域，通过选取风电机组、叶片翼型和基于PTFE纳米功能复合膜；设置风能捕捉区域的数值模拟计算网格和计算区域；确定主要计算参数和气动特性计算的雷诺数；建立翼型边界沿法向延展0.26mm（膜厚度）的几何模型，获得新的计算几何；采用流体力学计算方法和有限体积法进行计算；获得影响数值模拟计算结果。以空气动力学和结构动力学为基础，对基于PTFE纳米功能复合膜对叶片翼型气动特性和叶片整体气动性能进行影响数值模拟计算，为新材料、新技术在风力发电应用中提供科学依据。

技术领域

本发明涉及高分子复合材料技术领域，特别是涉及一种基于PTFE膜对风机叶片气动 特性影响的数值模拟方法。

背景技术

风电是一种资源潜力巨大、技术基本成熟的清洁能源，在优化能源结构、减排温室气 体、应对气候变化方面发挥着重要作用。截止2018年底，我国的风电装机容量已经达到2.1 亿千瓦时，风电显然已经成为我国推进能源转型的核心内容、应对气候变化的重要途径，是 落实生态优先、绿色发展的重要举措，也是我国深入推进能源生产和消费革命、促进大气污 染防治的重要手段。我国风电的上网电价全部通过了竞争方式，极大地激励了风电产业的规 模化发展，促进了公平竞争和优胜劣汰，进一步推动了风电产业健康可持续发展。然而，风 电上网电价又是一把双刃剑，上网电价水平的确定，使得上网电价竞争激烈，必然会促进风 电企业更加注重风电项目资源状况、装备技术水平和发电成本等因素，只有通过科技创新， 才能实现风能资源的高效利用。

风机叶片是风电机组的关键部件，在风电机组的风能捕捉量、提高风电安全与经济效 益中起着至关重要的作用。在风电领域，围绕叶片翼型气动性能的相应研究和实验有许多： 丹麦国家实验室R.P.J.O.M.van Rooij等，针对3种不同厚度的叶片翼型，提出了一种运用内 侧效应方法分析在叶片弦长10％处的表面灰尘对翼型敏感位置的影响；丹麦国家实验室和 W.A.Timmer等，在不同雷诺数下得出叶片翼型升力系数随雷诺数增大而增加的规律结论；清 华大学包能胜等，在叶片翼型表面局部增加粗糙度并通过风洞实验室分析不同分布位置、不 同数值大小粗糙度对叶片气动性能的影响，深入研究了翼型的表面粗糙度形成原理和普遍理 论，得出粗糙度带布置长度为10％弦长时系数变化最明显的结论；兰州理工大学李仁年，根 据数值方法研究了DU-95-W2-180叶片翼型的二维粗糙度表面的空气动力性能，得出在叶片 翼型尾缘处附近增加粗糙度可提高DU-95-W2-180叶片翼型的升力系数的结论；日本东海学 院NAGAISHI Akira等，以水平轴风机叶片为研究对象，进行气动性能风洞实验，得到非对 称流在圆翼型边界的转折点位置导致部分升力系数、阻力系数的梯度变化并称之为“粗糙度”， 得出粗糙度厚度增大后，最大升力变化量发生在低攻角处，对雷诺数变得更高的结论。

通过对国内外文献的分析可知，目前关于大型风电机组叶片翼型气动性能的研究较为 成熟，但都是以叶片表面具有原有的常规涂层表面粗糙度为研究对象和实验基础，得出的结 论是叶片翼型在常规涂层下的表征粗糙度的相关概念和实验结果，获得的粗糙度对叶片翼型 气动性能的影响结论也不统一。而对于在风机叶片表面粘贴覆盖了基于PTFE纳米功能复合 膜后，叶片翼型气动特性和整体气动性能的影响数值计算分析几近空缺。

风机叶片现有的表面涂层技术及其材料，远不能满足提升叶片翼型特性和整体气动性 能、提高风能利用系数、风电提质增效的迫切需要。随着科学技术突飞猛进，材料科学的突 破必然会涌现出许多先进的功能性新材料。风电上网电价因素的倒逼，同样也将会促进风电 行业在实现风能资源高效利用上，运用科技创新开发出的更多新材料、新技术。以空气动力 学和结构动力学为基础，及时开展对运用了新材料、新技术的风机叶片翼型气动特性和整体 气动性能的影响数值模拟计算和科学研究，为新材料、新技术在风力发电上的运用提供科学 依据已迫在眉睫。

发明内容