基于S823/S822翼型小型风力发电机叶片气动特性的数值模拟

论文摘要

风能是一种清洁、廉价、储量丰富的可再生能源,是缓解世界能源危机保证经济可持续发展的有效途径之一,风能凭借其清洁、可循环利用等诸多优点而越来越受到重视。而叶片是整个风力发电机最为关键的部位,其性能优越与否关系到发电机的成本、寿命及发电功率的捕获。本文通过对美国SERI翼型系列中的S822、S823两种翼型进行二维、三维流体分析,研究此两种翼型在不同工况下的流体气动特性及压力分布等。主要研究结果如下:1.对S822、S823两种翼型进行二维分析,获得两种翼型的气动特性,包括压力分布、翼型周围的流场分布以及翼型升力系数及升阻比随攻角变化曲线图,为叶片设计提供参考。2.对S823翼型添加Gurney襟翼进行了尝试,通过对加有Gurney襟翼的翼型进行流场分析,分析结果表明添加Gurney襟翼可以有效的改善翼型表面压力分布,提高翼型升力系数及升阻比,同时给出了合理的襟翼高度。3.根据风力发电基本理论,以S822/S823两种翼型为基础设计出一种组合叶片,此种叶片既能满足叶片的气动性能又能满足叶片的强度要求,并可以有效的降低噪音以及叶片表面的敏感程度。4.对S822/S823组合叶片进行单叶片的三维分析,通过模拟了解叶片表面的压力分布及流场分布,可以很清楚的看到叶片周围漩涡形成的部位,与葛劳渥漩涡理论基本符合。5.对叶片用复合材料—玻璃钢—进行拉伸性能的试验,通过对玻璃纤维进行预处理、添加不同量的耦合剂以及泡水处理,表明对玻璃纤维进行干燥处理和在树脂中添加0.2%的硅烷耦合剂可以有效提升玻璃钢的抗拉强度及防水性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 世界风力发电的历史、现状及前景
• 1.3 数值模拟在风力发电中的应用及其研究现状
• 1.4 风力发电机叶片翼型的设计及研究情况
• 1.5 叶片用复合材料简介
• 1.6 课题的研究目的及意义
• 1.6.1 研究目的及意义
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 风力发电机的基本理论及计算流体力学基础
• 2.1 风力发电机基本理论
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 贝茨理论
• 2.1.3 叶素理论
• 2.1.4 葛劳渥漩涡理论
• 2.2 风力机的基本概念
• 2.3 风力机性能参数
• 2.4 叶片所受的力
• 2.5 计算流体力学基础及FLUENT简介
• 2.5.1 引言
• 2.5.2 计算流体力学的发展
• 2.5.3 计算流体力学控制方程
• 2.5.4 计算流体力学（CFD）特点
• 2.5.5 CFD在风力发电中的应用
• 2.5.6 Fluent流体软件简介
• 2.5.6.1 概述
• 2.5.6.2 Fluent的求解步骤
• 2.5.6.3 Fluent求解方法介绍
• 2.5.6.4 Fluent求解模型介绍
• 第三章 叶片翼型的二维分析
• 3.1 引言
• 3.2 翼型选择
• 3.3 物理模型的创建
• 3.3.1 二维物理模型的创建
• 3.4 求解步骤及求解模型
• 3.5 结果讨论与分析
• 3.5.1 S823翼型与NACA4412翼型数值模拟结果分析对比
• 3.5.2 不同风速对分析结果的影响
• 3.5.3 S822翼型数值模拟结果分析
• 3.5.4 S823翼型加Gurney襟翼探讨
• 第四章 单叶片三维流场分析
• 4.1 引言
• 4.2 叶片的设计
• 4.2.1 风轮直径的确定
• 4.2.2 风轮叶尖速比的确定
• 4.2.3 翼型的选择与分配
• 4.2.4 叶片设计基本参数
• 4.3 叶片的几何建模
• 4.3.1 翼型坐标处理
• 4.3.2 控制边界截面的生成
• 4.3.3 叶片表面生成
• 4.3.4 叶片实体造型
• 4.4 叶片物理模型的创建
• 4.4.1 几何模型的导入
• 4.4.2 几何模型运算
• 4.4.3 网格划分及边界条件的指定
• 4.5 求解模型的选择及参数设置
• 4.6 结果讨论与分析
• 第五章 复合材料的制备及其拉伸性能实验
• 5.1 引言
• 5.2 复合材料概述
• 5.3 玻璃纤维树脂基复合材料简介
• 5.3.1 玻璃纤维简介
• 5.3.2 环氧树脂简介
• 5.3.3 纤维与基体结合理论
• 5.4 有机硅烷类处理剂耦合机理
• 5.5 玻璃纤维复合材料试验概述及试验目的
• 5.6 试验准备
• 5.6.1 试验材料
• 5.6.2 试样制备
• 5.6.2.1 树脂胶液配比
• 5.6.2.2 稀释剂的使用
• 5.6.2.3 耦合剂的加入方式
• 5.6.2.4 试样标准
• 5.6.2.5 试样加工工艺
• 5.6.2.6 试样分组
• 5.6.3 试验设备
• 5.7 试验结果与分析
• 5.7.1 试样凝固过程所施加的压力对试样厚度的影响
• 5.7.2 玻璃纤维干燥处理对复合材料拉伸性能的影响
• 5.7.3 施加耦合剂对材料拉伸性能的影响
• 5.7.4 各组试样对水分的敏感程度
• 5.7.5 试样吸水后的拉伸性能变化
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 待解决的问题
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文