10kW风力机叶片翼型气动性能的模拟及优化

论文摘要

研究并开发先进的风力机专用翼型是当前风力机研究领域的热点,对叶片翼型的气动性能进行模拟及优化将具有重要的应用价值和理论意义。本文以湘电集团股份有限公司提供的“10kW直驱风力机开发”项目中的风力机叶片为研究对象,对该风力机叶片翼型的气动性能进行了数值模拟研究,并运用反设计优化原理对叶片参考翼型进行优化。主要研究内容如下:（1）分别用基于N - S方程的数值模拟法和基于粘性与无粘性相结合的涡面元法分析风力机专用翼型S809在不同攻角下的气动性能和流场分布,并将分析结果与现有的实验数据进行对比,比较两种数值分析方法对风力机翼型气动性能的预测能力。（2）采用基于全局牛顿迭代法的XFOIL软件中的反设计模块（MDES）,在各自攻角范围内,对参考翼型的前缘、弯角以及厚度的分布分别进行修改,并将修改后的翼型上下表面速度分布进行光顺,获得优化后的新翼型,并与初始翼型的气动性能进行比较分析。（3）根据风力发电机的设计要求及Glarert理论,利用MATLAB语言编程得到优化后叶片的不同半径处截面的最佳扭角和弦长分布,并用UGNX5.0实现优化后叶片的参数化建模,获得10kW小型风力机叶片及整个风轮三维实体模型。（4）利用风力机计算分析软件GH-BLADED平台对优化前后的叶片进行气动性能对比分析。经分析可知在设计工况下,优化后的叶片具有较好的气动性能和较宽的风速适应范围。本文结合前人在风力发电机叶片设计成功范例基础上对10kW小型风力机叶片的气动性能进行了数值模拟研究,并通过对叶片翼型的优化使其具有较好的气动性能和较宽的风速适应范围,综合性能更为优良。经过优化后的叶片可提高风力发电机叶片吸收风能的效率,从而能够增强风力机的竞争力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外风电产业发展现状
• 1.2 风力机翼型的气动性能研究现状
• 1.3 风力机翼型的优化方法研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 风力机叶片的基础理论
• 2.1 风力机基本理论
• 2.2 风力机叶片的特性参数
• 2.3 翼型的气动特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 风力机翼型气动特性的数值模拟研究
• 3.1 基于N-S 方程的CFD 方法
• 3.1.1 模型的建立
• 3.1.2 数值求解
• 3.1.3 气流绕流流场数值模拟结果及分析
• 3.2 涡面元法
• 3.2.1 涡面元法的特征
• 3.2.2 涡面元法的计算与分析
• 3.3 两种数值模拟方法预测结果的比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 风力机叶片翼型优化
• 4.1 优化方法
• 4.2 优化准则
• 4.3 10kW 风力机叶片翼型优化实例
• 4.4 本章小结
• 第5章 10kW 风力机叶片的三维建模与性能分析
• 5.1 10kW 风力机叶片设计
• 5.1.1 叶片设计的基本参数
• 5.1.2 叶片优化设计的计算程序编制
• 5.1.3 气动外形设计
• 5.2 风力机叶片的三维建模
• 5.3 叶片气动性能验证
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢