小型风力机设计及风轮气动性能的数值研究

论文摘要

本文以10KW小型定桨距风力机为研究对象,利用Fluent流体计算软件,对风力机专用翼型及风轮的气动特性进行了数值模拟研究。主要完成了以下几方面的工作：分别选用S-A.RNGκ-ε、κ-ωSST三种湍流模型对S827、S832翼型的绕流流动进行了数值计算,通过与实验数据的对比,研究了不同湍流模型对风力机翼型气动性能的预测能力,以确定适合于本文流动问题的湍流模型。采用数值模拟方法分析了NACA和NREL两个系列的五种风力机翼型的气动特性,结果表明：针对S系列翼型,翼型弯度相近时,随着翼型厚度的增大,对应同一攻角的翼型升力系数有所提高,同时翼型上下面的压差阻力也增大,使得翼型的升阻比有所降低,但与薄翼型相比,较厚翼型的最佳升阻比攻角范围较宽；在适当攻角范围内,增加翼型弯度,可以提高翼型的升力系数及升阻比,使得翼型具有较宽的高升阻比范围,但是超过一定攻角范围时,翼型弯度较大的却容易发生流动分离,翼型气动性能下降；NREL风力机专用翼型较传统翼型更能满足气动性能的要求,并且翼型具有较高的能量转换效率。基于Wilson理论进行了10KW小型定桨距风力机叶片的气动设计,考虑了叶尖损失、叶根损失以及轴向、周向干扰因子对叶片最佳性能的影响,基于Pro/E三维造型软件实现了风力机叶片三维模型的参数化建模,构建了风力机叶片及整个风轮三维实体模型,大大提高了风轮设计与造型的效率和精度。最后,在额定工况和十五个非额定工况下对风轮流场进行了数值模拟,计算出不同风速下风力机的功率和效率,验证了本文所采用优化设计方法和数值模拟方法的有效性、可靠性；并对额定工况下风轮叶片的压力和速度分布进行了分析,探讨了三维旋转效应对流动特性的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 水平轴风力机空气动力学研究现状
• 1.2.1 风力机翼型气动性能数值模拟研究现状
• 1.2.2 风力机风轮气动性能数值模拟研究现状
• 1.3 本文研究的目的和内容
• 2 水平轴风力机的基本理论及数值计算方法
• 2.1 翼型的基本知识
• 2.1.1 翼型的几何参数和气流角
• 2.1.2 作用在运动翼型上的空气动力
• 2.1.3 升力和阻力系数的变化曲线
• 2.2 风力机叶片设计的基本理论
• 2.2.1 动量理论
• 2.2.2 叶素理论
• 2.2.3 动量-叶素理论
• 2.2.4 涡流理论
• 2.3 CFD数值计算方法
• 2.3.1 CFD数值计算方法简介
• 2.3.2 CFD数值求解过程
• 2.4 本章小结
• 3 叶片二维翼型的气动性能数值计算
• 3.1 二维翼型的数值求解
• 3.1.1 计算区域和网格划分
• 3.1.2 流动控制方程
• 3.1.3 边界条件的设置
• 3.1.4 求解参数及收敛控制设置
• 3.2 不同湍流模型的对比分析
• 3.2.1 湍流模型
• 3.2.2 湍流模型的对比分析
• 3.3 翼型绕流数值计算结果分析
• 3.3.1 NACA23015翼型绕流数值计算结果分析
• 3.3.2 风力机专用S系列翼型绕流数值计算结果分析
• 3.3.3 传统翼型与风力机专用翼型气动性能的对比分析
• 3.4 本章小结
• 4 10KW风力机叶片设计及三维建模
• 4.1 风力机叶片的设计
• 4.1.1 叶片设计的基本参数
• 4.1.2 叶片的气动外形设计
• 4.2 风力机叶片的三维建模
• 4.2.1 叶片各截面叶素空间坐标的求解
• 4.2.2 基于Pro/E的叶片实体建模
• 4.3 本章小结
• 5 风轮三维气动性能的数值模拟
• 5.1 计算区域及网格划分
• 5.1.1 计算域的选取
• 5.1.2 网格划分
• 5.2 数值求解
• 5.2.1 流动控制方程
• 5.2.2 边界条件设置
• 5.2.3 求解参数设置
• 5.3 计算结果与分析
• 5.3.1 数值计算结果
• 5.3.2 流场分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录