低风速H型垂直轴风力机叶片翼型研究

论文摘要

随着环境污染的日益加剧,风能已经成为当今世界最重要的可再生能源之一。现代风力机大体上可分为两类,分别是水平轴风力机和垂直轴风力机。鉴于直叶片垂直轴风力机具有无需对风装置,叶片加工简单以及相对简单的外形和结构等优点,近年来对这种风力机的研究越来越深入。直叶片垂直轴风力机目前面临的主要问题是改善翼型的气动性能和风力机的自启动困难,因此研究适合垂直轴风力机的翼型和增强垂直轴风力机的自启动能力,对提高垂直轴风力机的风能利用率具有重要意义。本文利用低雷诺数二维翼型分析程序XFLR并结合翼型失速后性能预测模型Viterna-Corrignan对垂直轴风力机常用的NACA系列翼型族进行数值模拟,研究了雷诺数、厚度和弯度对翼型气动性能的影响。数值研究结果表明,增大雷诺数,合理选择翼型的厚度和弯度可以提高翼型的气动性能。运用复合形法,以翼型的最大升力系数,最大升阻比和失速攻角的代数和为目标函数,对垂直轴风力机常用的NACA0015翼型进行了优化设计,得到一种适合低风速垂直轴风力机的新翼型。针对垂直轴风力机的自启动问题,本文在总结现有的叶片结构设计方案的基础上,提出了一种叶片加装襟翼的方案,并且推导了带襟翼的风力机启动数学模型和襟翼闭合条件。设计并加工了垂直轴风力机实验台,测试了具有NACA0015翼型叶片和优化翼型叶片的风力机的工作性能,研究了叶片前缘粗糙度对风力机性能的影响。同时,验证了叶片加装襟翼方案的可行性。实验研究表明,前缘粗糙度增大一定程度上提高了垂直轴风力机的启动性能,但降低了风力机的工作性能。叶片内侧表面粗糙度对垂直轴风力机工作性能的影响比外侧表面粗糙度大。叶片加装襟翼方案显著提高了直叶片垂直轴风力机的启动时间。这些研究结论为直叶片垂直轴风力机的研制奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 垂直轴风力机的发展及研究现状
• 1.3 低风速风力发电技术的研究
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第2章 叶片翼型气动性能数值模拟和优化设计
• 2.1 引言
• 2.2 翼型气动性能数值模拟方法
• 2.2.1 翼型失速前气动性能数值模拟方法
• 2.2.2 翼型失速后气动性能数值模拟方法
• 2.3 数值模拟及结果分析
• 2.3.1 雷诺数对气动特性的影响
• 2.3.2 厚度对气动特性的影响
• 2.3.3 弯度对气动特性的影响
• 2.4 翼型优化设计
• 2.4.1 翼型设计方法
• 2.4.2 翼型优化过程及结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 襟翼辅助风力机工作条件研究
• 3.1 引言
• 3.2 垂直轴风力机叶片襟翼
• 3.2.1 襟翼结构及工作原理
• 3.2.2 带襟翼的风力机启动数学模型
• 3.2.3 襟翼的闭合条件
• 3.3 襟翼对叶片气动性能影响的分析
• 3.4 实验用襟翼
• 3.5 本章小结
• 第4章 垂直轴风力机性能实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验设备和方案
• 4.2.1 实验设备
• 4.2.2 实验方案
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 叶片前缘粗糙度对风力机性能影响
• 4.3.2 优化翼型与NACA0015 翼型性能比较
• 4.3.3 叶片加装襟翼对风力机性能的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢