垂直轴微风发电机的叶片设计与模拟分析

论文摘要

随着可再生能源使用的发展,风电已成为世界上最为主要的能源输出之一,其重要性也受到日益重视。叶片是风力机的一个重要的组成部分,它的形状对风力机吸收风能的效率起着至关重要的作用。本课题以厦门市人事局留学人员回国择优资助项目《垂直轴微风风力发电系统的设计》为背景,主要研究小型家用垂直轴风力发电机叶片的设计,优化及计算机模拟。主要研究成果如下:1.风力机叶片的设计(1)探讨叶片设计的通用方法。综合国内外多种叶片设计方法,整理现有叶片设计模型理论,得出一种简单有效的、非传统形状的风力机叶片的设计方案。利用机械设计软件CATIA对叶片的形状建模,在流体工程模拟软件FLUENT中对其进行模拟分析。(2)叶片精确的实体建模仿真。以输出电功率P=80w为目标,以传统的Savonius型风力机叶片为基础,通过曲面功能强大的CATIA作为曲面建模工具对风力机叶片的形状进行设计。对于复杂叶片,可以通过确定关键点的方法来定义叶片的边界曲线,为叶片进一步的动力学分析奠定基础。该建模方法可以为扭曲的螺旋形Savonius型风力机叶片和其他复杂实体精确建模提供参考。这个方法适用于各种特殊形状的风力机叶片的设计,使用范围广,能够提高叶片设计方法的通用性。2.叶片的动力学特性分析建立风洞模型,完全模拟接近真实风况下叶片周围的空气流动。并且运用流体工程模拟软件FLUENT采用有限元方法进行模拟分析,对优化前后的叶片进行二维及三维分析,得到叶片周围流体的速度矢量分布及叶片表面各处的压力及应力分布情况,验证了动力学性能较为出色的Savonius型叶片,为叶片的进一步设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究背景
• 1.2 国内外研究技术现状
• 1.3 本课题研究内容
• 第二章 基本概念和基本原理
• 2.1 Savonius型风力机
• 2.1.1 传统Savonius型风力机的基本结构及原理
• 2.1.2 Savonius型风力机与主流风力机的比较
• 2.1.3 风力机的功率和转矩计算
• 2.2 空气动力学及流体力学基础
• 2.2.1 流体的性质和分类
• 2.2.2 湍流概述
• 2.2.3 低速不可压缩流体
• 2.2.4 能量方程
• 2.2.5 声速和马赫数
• 2.2.6 风洞基础知识
• 2.3 FLUENT及使用简介
• 2.3.1 FLUENT软件介绍
• 2.3.2 FLUENT使用方法
• 2.3.3 FLUENT的前处理
• 2.3.4 FLUENT的后处理
• 第三章 叶片设计
• 3.1 参数变化对Savinous型风力机性能的影响
• 3.1.1 螺旋型叶片形状
• 3.1.2 改变高径比（aspect ratio）
• 3.1.3 改变叶片交叠部分的大小
• 3.2 风力机叶片参数的确定
• 3.2.1 拟输出功率下对应的风力机性能参数
• 3.2.2 叶片外形基本参数
• 3.3 叶片建模
• 3.3.1 二维叶片建模
• 3.3.2 三维叶片建模
• 第四章 流场模拟
• 4.1 二维流场模拟
• 4.1.1 转轴直径为60mm的叶片的流场模拟
• 4.1.2 转轴直径为14mm的叶片的流场模拟
• 4.1.3 其他情况的模拟
• 4.2 三维流场模拟
• 第五章 模拟结果分析
• 5.1 二维模拟结果分析
• 5.1.1 转轴直径为60mm的叶片模型的流场模拟分析
• 5.1.2 转轴直径为14mm的叶片模型的流场模拟分析
• 5.1.3 其他情况下的模拟结果比较
• 5.2 三维模拟结果分析
• 第六章 结论及展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 本文的主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 论文发表情况
• 致谢