风力机流场数值计算与叶片设计

论文摘要

风力机是自然界将风能转化为机械能或电能的装置。气动性能计算是风力机设计和校核中的重要环节,气动性能计算的准确性,直接影响叶片的气动特性和结构安全,从而影响风力机的运行效率和运行寿命。本文在国家重点基础研究发展(973)计划资助下开展研究,工作主要分为以下三部分。第一部分,开展二维翼型气动性能的数值研究。首先研究了不同参数包括计算区域、网格疏密程度、紊流模型以及网格正交性对于二维翼型气动性能数值计算精度的影响,得到了高精度二维翼型气动性能的计算方法。在此基础上,开展雷诺数对于二维翼型气动性能数值影响的研究,发现无论是无分离流动还是分离流动,当雷诺数大于自模化雷诺数时,二维翼型的升阻力系数不再随这雷诺数变化而变化。再次,由于动态失速对于二维翼型的气动性能会有重大影响。本文应用Fluent软件的用户自定义功能设置了运动网格研究翼型振荡运动的动态失速现象,得到二维翼型动态失速的运动规律。第二部分,开展三维风轮气动性能的数值研究。首先,基于动量—叶素理论在二维翼型的升阻力系数数据基础上计算三维风轮的气动性能,并以此评估了二维翼型气动性能计算精度对于三维风轮气动性能计算的影响。接着,采用CFD方法研究三维风轮气动性能,并比较了大涡模拟和S—A紊流模型两种方法的计算精度。再进一步的进行洞壁干扰修正,得到了精度较高的三维风轮气动性能数值研究方法。第三部分主要研究低风速下高性能风力机叶片的设计方法。首先利用相关参考文献建立初始叶片造型,然后根据动量—叶素理论对于风轮风能利用系数计算的基础上采用遗传算法对影响风力机风轮气动性能的两个重要参数即弦长和安装角进行优化,最后完成优化后的风力机风轮的造型设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外风力发电的发展概况
• 1.2.1 国外发展概况
• 1.2.2 国内发展概况
• 1.3 国内外风力机气动性能研究状况
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 二维翼型流场数值计算
• 2.1 翼型几何与气动性能参数基本理论
• 2.2 数值研究方法
• 2.2.1 GAMBIT 网格生成
• 2.2.2 FLUENT 求解器
• 2.3 数值计算基本设定
• 2.3.1 S809 翼型及计算设定
• 2.3.2 初边值条件
• 2.4 二维翼型流场计算精度研究
• 2.4.1 网格疏密对于计算精度影响
• 2.4.2 计算区域对于计算精度影响
• 2.4.3 紊流模型对于翼型静态性能计算精度影响
• 2.5 网格正交性对二维翼型计算精度影响
• 2.5.1 壁面处离散误差分析
• 2.5.2 平板紊流附面层数值计算
• 2.5.3 翼型绕流流场计算
• 2.6 小结
• 第3章 雷诺数对二维翼型性能影响
• 3.1 雷诺数与相似理论
• 3.1.1 雷诺数基本理论
• 3.1.2 相似基本概念
• 3.1.3 量纲分析与相似准则
• 3.2 雷诺数对二维翼型性能影响数值研究
• 3.2.1 无附面层分离状态下雷诺数影响研究
• 3.2.2 分离流动状态下雷诺数影响研究
• 3.3 小结
• 第4章 振荡翼型动态失速特性的数值研究
• 4.1 动态失速基本概念与研究现状
• 4.1.1 风力机动态失速
• 4.1.2 翼型动态失速
• 4.2 数值研究方法
• 4.2.1 数值方法基本原理
• 4.2.2 计算网格与相关设置
• 4.2.3 用户自定义函数
• 4.3 计算结果与分析
• 4.3.1 静态失速
• 4.3.2 动态失速
• 4.4 小结
• 第5章 三维风轮气动性能计算
• 5.1 动量—叶素理论
• 5.1.1 动量理论
• 5.1.2 叶素理论
• 5.1.3 动量—叶素理论
• 5.2 二维翼型计算精度对三维风轮气动性能影响
• 5.3 三维风轮气动性能数值研究
• 5.3.1 数值研究方法
• 5.3.2 风轮模型与计算网格
• 5.3.3 洞壁干扰修正
• 5.3.4 风轮气动性能分析
• 5.4 小结
• 第6章 低风速高性能风力机叶片的设计研究
• 6.1 遗传算法基本原理
• 6.2 初始叶片造型设计
• 6.3 优化后叶片造型及气动性能
• 6.4 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文