不同风力涡轮机叶片轮廓的三维分析及空气动力学建模：考虑材料粗糙度的影响

《Results in Engineering》：Three Dimensional Analysis and Aerodynamic Modelling of Different Wind Turbine Blade Profiles Accounting Materials’ Roughness Impact

风叶翼型优化与材料粗糙度对水平轴风力涡轮机性能的影响研究，采用ANSYS Fluent进行2D-3D耦合分析。通过对比NACA 4418、SD 7080-il、DU86-08418-il、NACA 0012和NREL S826五种翼型，发现NREL S826在8-15°攻角下阻力最小（0.3-1.6N）且升力最大（21-69N）。研究证实碳纳米管材料因高扭矩特性最适合作风叶基材，E-glass在低粗糙度（5-10μm）时阻力降低55%，升力提升36%。创新性在于首次建立2D翼型筛选与3D粗糙度影响的系统分析框架，涵盖风速（5-9m/s）、攻角（0-20°）及三种复合材料（E-glass、Kevlar、CNTs）的协同优化。

　　风能作为一种清洁能源，近年来受到广泛关注，因其对减少碳排放和实现可持续发展具有重要意义。然而，风力涡轮机的设计过程中，空气动力学特性与材料选择是影响其性能的关键因素。空气动力学形状设计的不合理以及材料的不恰当选择，往往成为限制风力涡轮机效率的主要障碍。因此，本研究致力于通过系统分析不同类型的空气动力学形状和材料特性，以优化风力涡轮机的性能。

在本研究中，我们选择了五种常见的空气动力学形状，包括NACA 4418、Sd 7080-il、DU86-08418-il、NACA 0012和NREL S826，通过模拟不同角度攻击和低风速（5、7和9米/秒）的边界条件，对它们的性能进行了比较分析。通过使用ANSYS Fluent 2023 R1软件进行计算，我们发现NREL S826在这些形状中表现最佳，其在风速为9米/秒时，角度攻击范围为8°至15°，能够实现最佳的空气动力学性能。此外，研究还进一步分析了最佳空气动力学形状的三维模型，探讨了材料表面粗糙度对涡轮机性能的影响。表面粗糙度在风力涡轮机的空气动力学性能中扮演着重要角色，尤其是在材料选择方面。

为了全面评估材料的影响，研究考虑了三种广泛用于风力涡轮机制造的复合材料：E-glass、Kevlar纤维和碳纳米管（CNT）。通过对不同粗糙度值（5、10、15、20和25微米）的比较分析，研究指出碳纳米管是最佳的增强材料，因其在扭矩特性方面表现出色。同时，研究发现使用碳纳米管材料可以提高拖力和升力，分别达到55%和36%的增强效果。这一发现表明，选择合适的材料对提升风力涡轮机的性能至关重要。

研究不仅关注空气动力学形状和材料选择，还探讨了不同风速参数和空气动力学叶片配置对风力涡轮机性能的影响。通过结合二维和三维分析，研究提出了一个有效的分析流程，有助于提升风力涡轮机的性能。此外，研究还指出，表面粗糙度对风力涡轮机的影响并非恒定，而是在不同环境条件下表现出不同的行为特征。例如，在低风速条件下，表面粗糙度对性能的影响更为显著，而在高风速条件下，这种影响则相对减弱。

为了确保研究的准确性，研究采用ANSYS软件进行数值模拟，并通过不同的网格划分方法来优化计算过程。在二维分析中，研究对五种空气动力学形状进行了详细的模拟，包括不同的角度攻击和风速条件。为了验证模拟结果的可靠性，研究还进行了网格独立性测试，确保数值解的准确性不受网格密度的影响。在三维分析中，研究进一步探讨了不同材料的表面粗糙度对涡轮机性能的影响，并结合风速条件进行详细分析。

研究的局限性在于所考虑的空气动力学形状和材料种类相对有限，仅涵盖了五种空气动力学形状和三种材料。此外，研究的风速范围也较为狭窄，仅包括低风速条件。因此，作者建议未来的研究应扩展所考虑的空气动力学形状和材料种类，并增加风速范围以更全面地评估风力涡轮机的性能。此外，研究还建议在未来的分析中引入热力学和结构分析，并结合人工智能或智能材料技术，以进一步优化风力涡轮机的设计。

通过本研究，我们不仅确认了NREL S826空气动力学形状在风力涡轮机设计中的优越性，还揭示了材料选择和表面粗糙度对性能的关键影响。研究结果表明，碳纳米管作为增强材料在提升风力涡轮机性能方面具有显著优势，尤其是在高粗糙度条件下。因此，未来风力涡轮机的设计和制造应更加注重材料的选择和表面粗糙度的控制，以实现更高的能量产出和更长的使用寿命。

总的来说，本研究为风力涡轮机的性能优化提供了重要的理论支持和实践指导。通过结合二维和三维分析，研究揭示了空气动力学形状、材料选择和表面粗糙度对风力涡轮机性能的综合影响。研究结果不仅有助于提高风力涡轮机的效率，还为未来的风能研究和应用提供了新的思路和方法。