风力机叶片绕流的数值模拟研究

论文摘要

风能是可再生能源之一,它对保护环境和维持生态平衡,以及减少对常规能源的依赖性,对实现可持续发展战略有重大意义。风力发电机是利用风能转化为电能的装置,风力机的关键部件是叶片。叶片翼型的设计直接影响风能的利用率。本文主要研究风力机叶片的外部流场,对风力机叶片翼型用计算流体力学软件FLUENT进行数值模拟,从而得到不同翼型的性能参数。翼型的空气动力性能参数为设计高效率风力机叶片提供数据,风力机叶片设计方法有很多种,文中研究具有代表意义的四种方法,并给出了用这四种方法设计叶片具体的计算公式。它们分别是:简单的风车理论,Glauert涡流理论,Schmitz理论和动量叶素理论。考虑到叶素动量理论是现今最常用的设计计算方法,它对真实风机的模拟计算只要在计算公式中加入各种修正因子,计算结果的精度就能越高。文中重点研究叶素动量理论,给出了利用叶素动量理论设计叶片的一般步骤方法与计算公式。重点对设计和计算情况下的干涉因子进行处理即考虑叶尖损失和轮毅损失。采用有限体积法以及基于压力修正的SIMPLE方法和标准k-ε两方程湍流模型,在不同攻角范围内对三角翼翼型以及改进前后NACA2412翼型绕流流动进行了数值模拟,得到了三种翼型的性能参数。通过对比阻力以及升阻比可知三角翼型的阻力比较大。而改进后NACA2412翼型的阻力相对比较小,升阻比高于改进前的翼型,风能利用率比较高。且当攻角较小时,流动呈现较小的分离涡;当攻角继续上升时,尾部涡进一步扩大,表现出强烈的分离流动特性。改进后的NACA2412翼型的空气动力特性要优于原翼型,更适合于风力机的工作环境,能够更好地提高风力机的工作性能。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 1.1 风力发电研究的背景
• 1.2 风力机叶片研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 2 风力机基本理论及数值模拟方法
• 2.1 风力发电机组的分类
• 2.1.1 水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机
• 2.1.2 升力型风力发电机和阻力型风力发电机
• 2.1.3 升力型风机与阻力型风机的比较
• 2.2 风力机叶片的基本力学参数
• 2.3 风力机的空气动力学参数与发展方向
• 2.3.1 风力发电机空气动力学性能参数
• 2.3.2 风力发电机空气动力学理论
• 2.4 计算流场的数值模拟方法
• 2.4.1 流动基本控制方程
• 2.4.2 湍流模型
• 2.5 本章小结
• 3 风力发电机叶片设计方法
• 3.1 简化的风车理论
• 3.2 Glauert 涡流理论
• 3.2.1 风轮的涡流系统
• 3.2.2 诱导速度的确定
• 3.2.3 入流角 φ 和 Cl nl 参数的最佳值
• 3.3 Schmitz 理论
• 3.4 经典的动量叶素理论
• 3.5 本章小结
• 4 三角翼型的数值模拟及分析
• 4.1 流场数值模拟方法
• 4.1.1 计算网格
• 4.1.2 边界条件
• 4.2 三角翼翼型数值模拟结果
• 4.3 本章小结
• 5 NACA2412 翼型改进前后的数值模拟
• 5.1 NACA 翼型
• 5.2 NACA2412 翼型的数值模拟
• 5.2.1 计算网格
• 5.2.2 数值模拟
• 5.2.3 NACA2412 数值模拟结果
• 5.3 改进后 NACA2412 翼型的数值模拟
• 5.3.1 翼型的改进
• 5.3.2 改进后翼型的计算网格
• 5.3.3 改进后翼型的数值模拟
• 5.3.4 改进后翼型数值模拟结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集