3.2　设计步骤

设计最初阶段先要获得吸力面和压力面的速度分布曲线。不论是压力面还是吸力面，阻力系数都是用来评估气动性能的主要标准。

假设来流速度U=1，弦长c=1，则吸力面或压力面的速度v和势流φ的关系式表示为

吸力面的环量△φ+和压力面的循环△φ-可表示为

根据势流理论［49］，Δφ+和△φ-服从下面的方程

式中：C1表示升力系数；Γ代表环量。

另外，为了得到较厚的翼型，△φ+和△φ-也应该满足以下公式

在本设计中，Δφ+的范围为1.5～1.1，Δφ-的范围为1.5～0.5。

对于每一个速度分布曲线，设计雷诺数为3×106，环量△φ+和△φ-都是直接给定的。

根据环量、前缘和尾缘斜度的不同，对翼型的压力面或吸力面进行阻力系数的比较，见表3-1。表格中翼型编号的定义方式为

其中x1是环量的整数位数值，x2为环量的小数位数值，x3x4x5为前缘的倾斜度，x6x7x8为尾缘的倾斜度（斜度是用角度表示，斜度999表示斜度不受约束），n6表示是6个控制点的Bezier曲线。例如，s1p5s10s999n6，即代表x1=1，x2=5，x3x4x5=10，x5x6x7=999，即环量为1.5，前缘倾斜度10度，尾缘不指定倾斜度的翼型。

速度分布曲线对前缘和尾缘的斜度都进行了多种设定，后续会检验哪组斜度会得到较低的阻力系数。N/A表示在特定的设置下无法生成速度分布曲线。

本文对6种不同倾斜度曲线在环量0.5～1.5（每隔0.1设一个取值点）上的阻力系数先进行筛选和分析，由于环量为升力系数的两倍，在坐标轴上将环量替换为升力系数（纵坐标），阻力系数作为横坐标，可以画出这些曲线的升阻力系数曲线，见图3-2。从图中可以看出，所有曲线的阻力系数都会随升力系数提高而提高，在很宽的一段区域内，即环量在0.9～1.3之间（对应升力系数在0.45～0.65之间）时机翼曲线之间的差别并不大。

每一种环量下较低的阻力系数曲线将被选出进入吸力面或压力面的速度分布曲线数据库，然后两两配对成为翼型的一组压力面和吸力面。应该注意的是，有些低阻力系数的速度分布曲线是波动的，可能会产生波浪形的翼型表面，这种波浪形翼型表面在气流攻角改变时的空气动力性能不稳定，因此应该避免选取波浪形翼型进行后续的数值模拟。筛选后的速度分布曲线见图3-3。

得到速度分布曲线后就可以开始构建翼型平面。为了得到特定的翼型，每一次选择两条曲线作为压力面和吸力面。应该注意的是，在翼型的驻点处，速度从零开始变化，但是目前的速度分布曲线中速度并不从零开始。为了解决上述问题，需要建立一对X坐标（s1%和s2%）从前缘驻点速度为零处开始过渡到曲线上来，见图3-4。可以看到s1%和s2%分别代表吸力面和压力面。设定好s1%和s2%后，就得到从点（0，0）开始的斜线，这条斜线能使速度分布更接近于真实的状况。s1%和s2%的参数和翼型前缘的半径有直接关系，对翼型的厚度有很大影响。s1%和s2%的值越大，翼型的面就越厚。对于对称翼型，吸力面和压力面的速度分布相同，s1%和s2%的值也相同。

得到修正后的压力面和吸力面速度分布曲线就能导出翼型了。通常情况下，需要改善前缘曲率以得到平滑的翼型。

本次设计首先采用XFOIL［50］进行评估，该程序可以分析不同来流情况和不同攻角下的翼型流场。最大升阻比和其相应的升力系数和攻角都被记录下来，见表3-2。

对于表3-2中的a，b和c系列翼型，将最大厚度（横轴）与最大升阻比（纵轴）对应并绘制在同一张图中，见图3-5。

从图3-5可以看出，一般情形下，随着最大厚度的增加最大升阻比减小。a系列机翼具有最大的升阻比，但相对厚度较小。c系列机翼通常具有最大的相对厚度，但升阻比较小。一般条件下，为了保障机翼有足够的强度和足够的效率，需要最大的厚度和最大的升阻比，但这两个条件是相互制约的。在具体选择机翼外形时，从安全角度考虑，需要先满足强度的需求。例如，由于强度需要机翼厚度不能小于某个数值，在此条件下选择升阻力比最好的机翼外形。

根据上述分析，绘制了最大厚度所在位置与升阻比的规律关系图，见图3-6。

为了使风力机叶片根部的翼型顺利过渡到圆形，从而能够与轮毂顺利对接，最大厚度所在位置越接近0.5越好。从图3-6可以看出，a系列机翼在相同位置时具有更好的升阻比，也就是说在相同机翼效率时，最大厚度更接近0.5的位置几何外形最好。而c系列的翼型几何外形较差。

接下来可以构建翼型表面。翼型用四个数位表示，前两位数字表示吸力面环量，后两位数字表示压力面环量。构建翼型表面所需要使用的速度分布曲线全部来源于图3-3。翼型编号中的字母a，b，c代表不同厚度的翼型面：a代表厚度较小的翼型；b代表中等厚度的翼型；c代表厚度较大的翼型。几组不同的s1%和s2%能够形成不同厚度的翼型。例如，1580c就是以s1 p5s00s999n6（环量1.5）作为吸力面的速度分布曲线和以s0p8s10s999n6（环量0.8）作为压力面的速度分度曲线所得到的翼型面；相比于1508a和1508b而言，1508c的翼型厚度是最大的。

对于厚翼型（翼型编号c），6个翼型形状及其相应的压力面和吸力面速度分布曲线和升阻力系数曲线见表3-3，实线为升力曲线，虚线为阻力曲线，此6个翼型按照最大升阻比从高到低排序。

对于中等厚度翼型（翼型编号b），6个翼型形状及其相应的压力面和吸力面速度分布曲线和升阻力系数曲线见表3-4，此6个翼型按照最大升阻比从高到低排序。

对于薄翼型（翼型编号a），6个翼型形状及其相应的压力面和吸力面速度分布曲线和升阻力系数曲线见表3-5，此6个翼型按照最大升阻比从高到低排序。