基于Fluent與UG的風(fēng)機葉片反求設(shè)計的方法

?。称冢偟冢保罚财冢玻埃保材辏对拢停疲茫龋粒危欤茫粒虣C械工程與自動化ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．３Ｊｕ仉文章■號：１６７２－６４１３（２０１２）０３－００２０—０３一種基于Ｆｌｕｅｎｔ與ＵＧ的風(fēng)機葉片反求設(shè)計的方法閆磊，崔研（華北電力大學(xué)機械工程秉．河北保定０７１００３）擅耍ｔ甘對風(fēng)機葉片進行反束設(shè)計。建立葉片坐標幕，利用ＵＧ獲取坐標羲據(jù)．通過導(dǎo)＾Ｇａｍｂｉｔ鞍件，建立空氣神力學(xué)沌場－對其進行胃格捌舟和邊界條件的定史辱．利用Ｆｌｕｅｎｔ教件進行ＣＦＤ計算，得耐井力系數(shù)和阻力幕羲的羲據(jù)｝運用Ｈｉｃｋｓ－Ｈｅｒｍｅ參羲化方法，建立翼型奇度和犀度函數(shù)裹速武。誠研究為葉片的理論研兜和倪化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。關(guān)■詞ｚｕＧ，Ｆｌｕ∞ｔＦ風(fēng)機葉片ＩＣＦＤ；Ｈｉｃｋｓ－Ｈｅｕｎｅ參鼓化；反求謾計中田分糞號ｒＴＫ８３ｔＴＰ３１文蕾標識璃：Ａ０引言隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展．可再生的綠色新能源越來越受到關(guān)注。風(fēng)電葉片是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的第一個環(huán)節(jié)，它是風(fēng)力機中最為關(guān)鍵的部件之一。合理和高效的葉片設(shè)計是高發(fā)電效率的最大保障。歐洲國家風(fēng)電葉片的研究已經(jīng)達到了一個比較高的水平，而我國風(fēng)機葉片的研究還處在初期階段，借鑒先進的理論，結(jié)合自身情況設(shè)計葉片．是近年來我國葉片研究的主要方法。因此，在風(fēng)力機葉片的研究中，反求設(shè)計是理論研究的一個重要環(huán)節(jié)。本文利用ＵＧ對葉片翼型進行反求設(shè)計，并通過Ｆｌｕｅｎｔ軟件對葉片的氣動參鼓進行分析，采用Ｈｉｃｋｓ－－Ｈｅｎｎｅ參數(shù)化法建立翼型函數(shù)，為反求出的葉片的優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。１數(shù)據(jù)獲取與前期處理葉片設(shè)計的難度在于無法獲知各個截面翼型的型號。因此，要從反求設(shè)計思想人手，結(jié)合ＵＧ軟件的光柵圖像功能，完成翼型的重構(gòu)。外形數(shù)據(jù)的采集是反求設(shè)計的第一步，也是最為重要的一步，它直接影響到曲面質(zhì)量的好壞。葉片外形數(shù)據(jù)的采集對象主要為葉片外形主要點集的坐標。針對風(fēng)機葉片的特點，通過以下方法對葉片的外形數(shù)據(jù)進行采集：建立葉片實物的三維坐標和平面，使得葉片外形曲面上的所有點能夠用三維坐標表示出來｝將垂直于葉根平面的方向定義為ｚ軸方向，理論上ｘ軸和ｙ軸可以任意定義，但是為了使采集的坐標方便后期處理，定義平行于葉片前緣點切線的方向為ｙ方向，垂直于ｚ和ｙ軸的方向為ｘ方向，選取葉根圓柱面的圓心為原點０；這樣可使葉片展向收稿日辨Ｉ２０１１—１２－２０Ｉ沓回日期。２０１２—０１一０６與ｚ軸一致。葉片弦長方向與ｘ軸一致；根據(jù)葉片的實際長度，將葉片按展向分成若干段，各段的同隔盡量小．為之后葉片的實體建模提供方便ｉ利用掃描儀，對葉片各個截面進行掃描，得到各個截面翼型的掃描圖像．因為ｕＧ光柵圖只識別ＴＩＦＦ格式的圖像，所以利用圖像處理軟件Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ將所有圖像轉(zhuǎn)換為Ｔ１ＦＦ格式，以此為基礎(chǔ)建立翼型掃描圖像庫。２基于ＵＧ的曩型重構(gòu)掃描圖像庫建立完成后．運用ＵＧ的光柵圖功能，根據(jù)圖像來建立翼型的曲線。運行ＵＧｔ接“視圖一可視化一光柵圖像”打開光柵圖像功能。按掃描圖像庫存儲路徑，打開需要進行拾取數(shù)據(jù)的截面圖像（如圖１所示），此時光柵圖默認在ＸＯＹ面，因此，以此面為基準，建立點集，點集密度為５０×５０ｔ此時密度的選取直接影響到將來曲線重構(gòu)的精度。選取點集中最接近外形的點，形成外形點集，如圖２所示。點數(shù)依據(jù)實際情況選取，此處依據(jù)選取的密度，對葉片外形上下部分各?。担皞€點。再重新拾取其中的關(guān)鍵點，利用ＵＧ導(dǎo)出各點坐標，如圖３所示。用同樣的方法對其他截面以此進行處理，存儲為ＤＡＴ格式，建立葉片外形坐標點庫。田１ＵＧ光■圈像的辱入作者筒舟?日磊（１９８７?）ｔ男．寧夏銀川人．在讀硬士研究生，矸究方向，戤宇化設(shè)計與菩造萬方數(shù)據(jù)２０１２豐年３期周王，等。一升基于Ｆｌｕｅｎｔ與ＵＧ的＾瓤葉片丘求馥計的方法?２１?３基于ＦＩｕｍｔ的ＣＦＤ計算每個截面的外形數(shù)據(jù)需要逐個進行處理，此處選取距葉根２ｍ處的魏據(jù)進行效據(jù)分析和處理。運行前處理軟件Ｇａｍｂｉｔ，將該平面坐標導(dǎo)人，生成翼型曲線－如腰４所示。根據(jù)Ｆｌｕｅｎｔ軟件和流體力學(xué)相關(guān)理論，建立流場．對此擬臺翼型進行空氣動力學(xué)分析．藏場的建立要大于翼星本身的尺寸。所以，建立半圓與矩形組合的流場，這樣建立的汽場真實地模擬了風(fēng)機運行中風(fēng)流入和流出的情況。在流場建立完成后，對整個流場以及翼型進行網(wǎng)格劐分。本文中的分析過程選擇在標準大氣壓１０１３２５Ｐａ、風(fēng)速為１５ｍ／ｓ、攻角為５。的條件下進行。對流場中各個部分捌分區(qū)域，分別為矗ｅｌｄ一１、ｆｉｅｌｄ－－２、矗ｅｌｄ一３、ｆｉｅｌｄ－－４。完成網(wǎng)格劃分后，需要定義流場的邊界條件，選擇滾場左墻半四為人流端ｉｎｌｅｔ一１，右翻矩形巍櫥的三條邊為出流端，分別為ｏｕｔｈｔ一１、ｏｕｔｈｔ－２和ｏｕｔｌｅｔ－－３，同時需要選擇翼型的上、下兩條線作為翼型面，分別為ｗａｌｌ一１和ｗａＩｌ一２。圈５為建立的流場圖，圖６為漉場的放大圖，表示了翼型周圍流場的分布情況及邊界條件。導(dǎo)出數(shù)據(jù)，器存為ＭＳＩｑ格式。場進行求解，得到結(jié)果．圍５流場的建立與網(wǎng)牿劃分置６１１蔓藏塌與邊界條件之后，按同樣步驟對攻角為一１０。到１５。時的情況進行求解，井分別得到求解的結(jié)果，一４。到５。的數(shù)據(jù)如表ｌ所示。本文針對的是升力、阻力和升阻比的分析，翼型的升阻比反映了翼型的氣動效率，升阻比越高，翼型的氣動效率越高。圖７為升阻比曲線。圖８為升力系數(shù)與阻力系數(shù)的變化曲線。通過分析此鼻型升阻比的情況．可以直觀地看出翼型的性能和不足之處．根據(jù)，■■■盈瞄固３拾取后的點囊風(fēng)電機組特性。對反求出的翼型進行優(yōu)化處理。囊１井矗蕞蠡爰升照比ｔ膏ｌ攻角ａ－－４。－ａ。－２’－１。０。１。２’升力熏囊ｏＩ阻力纛靠ｃ』ｌｎ０１８５ｍ００７Ｇ，ｏ札２６６７２９．６６６７５０．６５４９３。ｒ５。０．６６２７圈４辱入Ｇａｍｂｉｔ生成肆曩曲域運行Ｆ１ｕｅｚｌＺ軟件，導(dǎo)人生成的同格文件，通過檢查和分析孵格后，開始對整個分析過程和屬性進行定義。因為來流的動壓較低，假設(shè)為不可壓縮流體，此處可以不考慮能量方程的影響。選取標準大氣壓１０１３２５Ｐａ，空氣密度為１．２２５ｋｇ／時，攻角方向為５。，來流大小需要計算進行轉(zhuǎn)化，假設(shè)風(fēng)速為”，攻角為ａ．則Ｘ方向來流大小為口ｃｏ恥，Ｙ方向來流大小為ｖｓｉｒｔａ。此時，相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成，下一步需要進行求解。求解主要是針對此翼型的升力和阻力進行的，因此在設(shè)置時．分別選?。蹋椋妫襞cＤｒａｇ選項．因為升力是垂直于來流方向，所以ＦｏｒｅｅＶｅｅｔｏｒ一項中ｔｘ為一ｓｉｎａ的值，ｙ為ｃｏ￥ａ的值。其他項也進行相應(yīng)的設(shè)置，此處不再贅述。最終選擇迭代參考值．對整個翼塑及其流?。飞璞惹蓿矗龋剩澹耄欤龋澹恚欤鍏⒔袒ㄍㄟ^對廈束設(shè)計出的翼型進行分析．可以得到翼壟的相關(guān)參數(shù)，從中發(fā)現(xiàn)，升匝比等并不是量優(yōu)選擇。因此。需要對曩塑進行優(yōu)化。反求設(shè)計采集的點都為離散點．擬合的樣條曲線也是自由曲線，此時番賽用方萬方數(shù)據(jù)）２／，０通ｌＪ［析分性特㈣蛋翼葉柴機力風(fēng)軍哽蘇嫦李］６［?２２?機械工程與自動化２０１２年?。称诔虒σ硇瓦M行擬合，即用方程的形式對曲線進行表達。本文利用Ｈｉｃｋｓ—Ｈｅｎｎｅ參數(shù)化方法建立翼型曲線方程，用于進一步的氣動性能優(yōu)化。其中：ｎ為參數(shù)個數(shù)；ｋ與Ｐ。分別為控制翼型厚度分布與彎度分布關(guān)鍵點變量的個數(shù)與系數(shù)。利用Ｈｉｃｋｓ－Ｈｅｎａｅ參數(shù)化方法，結(jié)合反求設(shè)計出的翼型點數(shù)據(jù)庫，建立各截面翼型的函數(shù)庫。根據(jù)翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)的相關(guān)計算公式，結(jié)合優(yōu)化算法，以最大升阻比為優(yōu)化目標．對升阻比進行優(yōu)化，通過循環(huán)迭代的方式，最終獲得最優(yōu)化的翼型函數(shù)，并從中獲取募型上的點集，建立最終的翼型數(shù)據(jù)庫。將數(shù)據(jù)庫導(dǎo)人ＵＧ，便可以建立精確的葉片三維實體模型，如圖９所示。１。Ｏ一ｄｎＯｍＯ＾ｌ圈８升力蕞虹與阻力?。舻淖兓?。…（１）ｏ＜ｚ‘＜１．圈９葉片反束證計奠基Ｈｉｃｋｓ－Ｈｅｎｎｅ參數(shù)化方法是由Ｈｉｃｋｓ和Ｈｅｒｍｅｓｓｙ共同提出的一種翼型參數(shù)化方法?它的整體思想是選取一個基準翼型，利用參數(shù)化方法將翼型疊加到這個翼型上。Ｈｉｅｋｓ－Ｈｅｎｎｅ基函數(shù)的定義為：ｓ結(jié)論結(jié)合反求設(shè)計的思想，利用ＵＧ光柵圖像功能抬取了葉片外形坐標數(shù)據(jù)，建立點坐標數(shù)據(jù)庫。ｔｇ－，導(dǎo)－ＡＧａｍｂｉｔ前處理軟伴，建立流場．并對流場和翼型進行網(wǎng)格劃分，同時定義邊界條件等。利用Ｆ１ｕｅｎｔ軟件．對翼型進行ＣＦＤ分析計算．得到升力系散和阻力系數(shù)的數(shù)據(jù)和相關(guān)曲線。最終結(jié)合Ｈｉｃｋｓ－Ｈｅｎｎｅ參數(shù)化方法，建立了翼塑函數(shù)表達式。最終的結(jié)果可以用于翼型的優(yōu)化設(shè)計與三維實體建模，為葉片的理論研究。ｆ，１（ｚ）＝ｐ”（１－－ｘ）ｅ一Ｊ＾（工）＝ｓ甜（，—㈨）ｌ＜ｋ≤ａ一１．．ｍ７．…．．．其中：丑為翼型前緣點和后緣點間選取的節(jié)點，ｏ一丑＜ｏｌｆ（＾）＝Ｔｌｎ０一．５ｉ蠶ｉ磊：。‘一。………。。。?？保肌汲螅肌级剑?，，１（ｚ）和＾（Ｉ）為基函數(shù)因變●考競棘：量Ｉｚ為非離散的自變量；＾為關(guān)鍵點變量個數(shù)。［１］撩悻ｔ李恩益．復(fù)雜曲面體的反求設(shè)計廈開發(fā)［Ｊ］．現(xiàn)代翻設(shè)基準翼型的上部分函數(shù)為Ｆｈ－Ｌｕｈ），基準翼型下部分函數(shù)為Ｆｈ。上ｏ），此時可以得到基準翼型的彎度和厚度函數(shù)分別為：遺工程，２００２（１０）。２１—２２．［２］周ｔ，豫旋披．奧運福娃的反求設(shè)計與數(shù)控加工口］．機電工程拄術(shù)?２００９?３８（８）：１７６—１７８．ｋ。。ｋ（工）＝（ｋｕ（ｚ）＋Ｆｈ也Ｌ（ｚ））／２［３］周生櫥南粵?采用ｕＧ二次開發(fā)的逆向工程披據(jù)處理方２０１０，４４（５）：７４—７７．ｋ一（加（Ｆ一出）＿ｋ山））／２‘…、［４］裂亡；蓑囂裂；芏淼究［Ｊ］工具技術(shù)．…………………、１—９將式（２）疊加到式（１）中?可以得到新的翼型彎度和厚度函數(shù)：［５］王建軍，矗正紅．Ｈ幽Ｈｅｍ”翼型參教化方法分析及改進［Ｊ］．航空計算技術(shù)．２０１０．４０（４），４６—４９．用０＂Ｌ］ｉＬ２００６（１１），８５－８７．Ｆ岫（加ｋ曲（卅．競．，Ｐ批）“；一”ａＦＨ。帕（ｚ）一Ｆｋ蝴（ｉ）＋∑Ｐ＾，。（＃）扣１…………………（３）［７］黃華．張禮達．風(fēng)力機翼型氣動性能設(shè)計計算方法的分析與研究［Ｊ］能掉工程，２００７（３），４５—４７．［８］毛金懌．張札選．風(fēng)輪葉片翼型氣動特性分析［Ｊ］．機械設(shè)計與制造，２００８（１１）；４¨己ＡＭｅｔｈｏｄｏｆＲｅｖｅｒｓｅＤｅｓｉｇｎＢａｓｅｄｏｎＦｌｕｅｎｔａｎｄＵＧｆｏｒＷｉｎｄＴⅡｒｂｉｎｅＢｌａｄｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｂａｏｄｉ聰０７１００３，ＣＫｈａ）（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ。ｆＭｅｄｍａｉｅａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏａｈＣｈｉＩｌ＾ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｂｄ，＿ｔ！ＴｈｅｂｈｄｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅＳｙｓｔｅｍｂＳｅｔｕｐａｎｄｔｈｅＵＧ．ＢｙｉｍｐｏｒｔｉｎｇｔｈｅｄａｔａｉｎｔｏＧａｍｂｉｔ，ｔｈｅａｅｒｏｄｙｍｍａｉｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｓｅａｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ａｆｔｅｒｍｅｓｈｅｄａｎｄｄｅｆｉｎｅｄｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｌｉｆｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｄｒａｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆａｒｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ出ｔａｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄ＆ｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙＦＩｕｅｎＬＴｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓｏｆａｉｒｆｏｉｌ’８ｃａｍｂｅｒａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｕｓｉｎｇＨｉｅｋｓ－Ｈｅｎｎｅｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｉｓＫｅｙＷＯｒｋｍａｙｐｒｏｖｉｄｅａｆｏｕｎｄａｔｍｎｆｏｒｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄ＾ｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅ；ＣＦＤＩＨｉｃｋｓ－Ｈｅｎｌｑｅｍｅｔｈｏｄ｝ｒｅｖｅｒｓｅｗ塒由￡ＵＧ‘ＦＩｔｌ∞ｔ；ｗｉｎｄｄｅｓｉｇｎ萬方