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1、7设计题目姓名学号指导教师NACA4412翼型参数设计风能转化原理与技术设计实验报告孙岩雷912108670128王学德提交日期2014年12月26日一、背景风能是太阳能转换的一种形式，是一种重要的自然资源，且据估计地球上可利用的风能比可开发利用的水能总量还要大10倍以上。随着社会的发展，能源危机愈来愈严重，而且燃烧化石能源所带来的环境危害也愈发不可忽视。因此，作为新一代能源利用的典范，风力机的大规模应用也就理所应当了。风轮是风力机最主要部件，其气动特性影响风能转换率，也决定了风力机的经济性。水平轴风力机是现在最流行、最广泛的采用的风力机。而风轮的翼型决定着风轮的气动参数。随着航空科学的发展，
2、世界各主要航空发达的国家建立了各种翼型系列，美国有NACA系列，德国有DU系列，英国有RAE系列等。这些翼型的资料包括几何特性和气动特性，可供气动设计人员选取合适的翼型。而在现有的翼型资料中，NACA翼型系列的资料比较丰富，飞行器上采用这一系列的翼型也比较多。本文就是在NACA4412翼型的基础上进行风力机设计的。二、设计流程风轮设计主要确定如下关键参数有：风轮直径、叶片数、叶尖速比、叶片翼型、叶素弦长、叶素安装角等。本文对翼型为NACA4412的风力机叶片进行外形设计，其给定的参数为：风力机的输出功率P=6.7kW，设计风速=7m/s，风轮转速72rpm，风力机功率系数Cp=0.43，空气密
3、度为1.225kg/m3，叶片数为3。根据相关参数求得叶片的直径，然后通过读取翼型的相关数据确定最佳攻角，以及其所在位置处的最佳升力系数,最佳阻力系数和最佳升阻比，利用叶素理论。动量理论和贝茨理计算叶片各个部位的相关参数(各个部分的周向诱导因子、轴向诱导因子、叶尖速比，入流角，桨距角和攻角)，并根据相关的结果作出叶片弦长和扭角与取样位置的曲线，进而得到整个叶片的设计方案。已知最大设计输出功率Pu(W)和风力机前风速度确定情况下。则风轮直径D可按如下公式确定：V兀式中，P空气密度，取1.225kg/m3；p风力机功率，取6.7KW；Cp风力机功率系数，取0.43；V来流速度，取7m/s。由风轮的
4、转速n的公式：nD即可得风轮叶尖处的叶尖速比或可根据下述公式求得:将叶片长度划分为10段，然后计算每一段的叶素的叶尖速比,Ano%QxlO%Aq0x20%A几30%Qx30%AZ40%Qx40%20%一FQx50%R-AGx60%R0x70%AA0x80%A50%F160%70%80%.Qx9O%7?A90%v后利用所给参数求得叶片的最佳弦长：2?rr8f二Lz9Q列其中e为各截面处的入流角，-为翼型临界攻角，且由气动数据表查得最大升力系数对应的攻角为a=8即为翼型临界攻角根据相关关系式就可以通过迭代方法求得轴向诱导因子a和周向诱导因子b,迭代步骤如下：假设a和b的初值，一般可取0；（1）计算
5、入流角;=arctan（2）计算扭角a=0-0;（3）根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力系数Cl和阻力系数Cd；（4）计算叶素的法向力系数Cn和切向力系数CtC二Ccos0+Csin0nldC二Csin0Ccos0tld（5）计算a和b的新值Beb=2na_bC n1a4Fsin20bbC t-1+b4Fsin0cos0比较新计算的a和b值与上一次的a和b值，如果误差小于设定的误差值（一般可取0.001），则迭代终止；否则，再回到（2）继续迭代。其中，F为普朗特叶尖损失修正因子，且2arccosexp12Rrrsin0丿三、程序展示参数输入与数据读取攻角升力系教阻力系埶升阻比柳俯力拒系埶0
6、1234T1T1TI1I&N貞CA4412参数读取1 -6.5-5293.0553-9.5714-05032 -6-4994.0466-10.716-05033 -5.5-4315.038-11.3553-05624 -5-3512.0319-11.0094-06265 -4.52687.0292-9.202106856 -4-.1881.0277-6.7906-07427 -3.5-1091.0264-4.1326-07938 -3-0294.025-1.176-0849 -2.5.0504辽3呂2.1176-0886-2.1409.02226.3468-095-1.5.2125.02081
7、0.2163-0977-1.30閔.018716.246-.102一5.3762.018420.445710450.4439.01224.6611-.105815 5.50呂5.017728.7288-.106416 1.5649.017632.0966-.105617 1.5.61了3.01珥34.8757-.104318 263401花37.8315-103519 2.5花96.01840.5333-.102820 3能54.01或43.1538-.102121 3.5.3356.018744.6845-.100722 4.8847.019345.8394-099123 4.5.9359.
8、019呂47.2677-097824 59刖9020348.665096625 5.51.0409.020850.0433-095626 61.0847.021550.4512-0931升力系数CL最大升阻比(CL/CD)凤轮直径(m1.9.8.7.6弦长/m.5ftNACA4412绘囹5.NACA4412IH-片弦長绘图叶片扭角绘图界面入流角展向长度叶片弦长10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%1.23260.9610.74740.59970.49660.42210.36630.32320.28890.2611展向长度叶片扭角332419149.7仃気宅1%epi號R
9、n*K7n*KFsnstQn*K1rin原样位置所占叶百%OOOOOOOOOO123456789178467449-39601144-8一219532-四、总结与收获本次设计通过利用课本中的公式和参考老师以及学长的论文中公式，得到了计算的结果，并进行绘图。但上述仅仅是对理想模型的设计，还应根据相关的实际参数进行比较修改，并利用风洞进行多次实验，从而得到较优化的设计方案。在这次设计中，我收获很多，首先感谢老师这一学期的教育和帮助，使我通过上课和实验获得了相关的理论知识，然后通过自己的实际行动，将所学的知识通过大作业的方式应用到实践中去。在设计的这几周里，我发现了自己的不足，没有将所学的知识系统的理解，有的地方只是片面的了解，并不深入。通过这次设计，不仅使我对课本中应用的公式更加了解，也使我对叶片的翼型有了更深入地了解，为以后可能从事这一方面的工作打下基础。同时，通过此次设计，使我将VB的知识重新复习了一遍，更加合理的运用课本上所学到的知识。另外，此次的参数设计不仅仅教会了我课本上的知识，也叫会了我如何做事做人。我们应该虚心向别人请教，自己不会的知识也许就是别人掌握的知识，只有你诚恳的向别人请教，你才可以多方面提高你的能力。三人行，必有我师。在成长的路上，只有放眼向前，脚踏实地，才能走向人生的辉煌！9
NACA4412参数设计实验报告剖析
