高功率风力机叶型数值模拟及实验研究

论文摘要

本文系统的介绍了风力机的基本理论以及翼型和风轮的几何参数、空气动力学特性等基本问题,并且也介绍了有关风力机叶片数值模拟的数学物理基础和方法。通过对风力机工作原理的分析,先对翼型进行了大弯度及钝尾缘方面的改型。其次提出了一种利用叶尖和尾缘喷气的方法来提高风力机效率的新型技术,其主导思想是利用风轮旋转产生的离心力,将风轮轮毂附近的气体通过空心叶片的通道引出,分别从叶尖及尾缘以与旋转方向相反的方向喷出。首先论述了某翼型大弯度及钝尾缘改型对提高翼型气动特性的影响。先建立各种改型模型,然后利用CFD软件进行数值分析,得到翼型在不同风速、不同攻角情况下的升力系数、阻力系数等。计算结果表明,在失速攻角之前,改型显著改善了翼型的气动性能,同时改型喷气角度越大,效果越明显。其次进行了对某翼型被动喷气改型的风洞试验研究。分别在其吸力面前缘和压力面尾缘尖、中、根部开孔,并在风洞中进行了对比实验研究。试验结果表明:尾缘喷气,及前缘根部喷气都明显提高了风力机的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 绿色能源风能
• 1.2 风能的利用情况
• 1.3 发展风力发电的主要问题
• 1.4 本课题研究的内容与方法
• 第2章 风力机的结构及工作原理
• 2.1 风力机的类型与结构
• 2.1.1 风力机的类型
• 2.1.2 风力机的结构
• 2.2 风力机的工作原理和气动力特性
• 2.2.1 翼型的几何参数
• 2.2.2 风轮叶片的空气动力学
• 2.2.3 贝茨理论
• 2.3 影响风机叶片效率的因素及解决方案
• 2.3.1 边界层的影响
• 2.3.2 叶片的形状—喷气襟翼的影响
• 2.3.3 解决方案
• 第3章 数值模拟及结果分析
• 3.1 流体流动的基本控制方程
• 3.2 数值计算中需要注意的问题
• 3.2.1 关于求解器
• 3.2.2 关于湍流模型
• 3.2.3 关于边界条件
• 3.3 模型的建立
• 3.3.1 参数的选择
• 3.3.2 模型的建立
• 3.3.3 模拟方案确定
• 3.4 数值计算
• 3.4.1 求解器的选择
• 3.4.2 湍流模型的选择
• 3.4.3 边界条件的选择
• 3.5 计算结果及其分析
• 3.5.1 大弯度以及钝尾缘翼型改型对翼型性能影响的比较
• 3.5.2 喷气角度对钝尾缘翼型性能的影响
• 第4章 风洞试验研究及结果分析
• 4.1 风洞实验设备
• 4.1.1 风洞简介
• 4.1.2 实验件
• 4.1.3 数据采集及控制系统
• 4.2 实验过程
• 4.3 实验结果处理
• 4.4 实验数据分析
• 4.4.1 喷气方案对风力机性能的影响
• 4.4.2 安装角对风力机性能的影响
• 4.5 误差分析
• 结论
• 附录I 风洞实验数据
• 附录II 数值计算实验数据
• 附录III 压力云图和速度云图
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文