提高风力机叶型气动性能的研究

发布时间：2017-05-22 08:39

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【摘要】：提高风力机叶型气动性能是发展大型风力发电设备的重要需求。本文针对改善风力机叶型气动性能这一问题,在风力机专用新叶型气动性能研究、利用定常吸气和振荡射流两种主动控制技术增加叶型升力和推迟失速等两个方面进行了数值和实验研究。研究工作具体内容和结论如下: 本文采用有限体积法以及基于压力修正的SIMPLE方法和k-ω为基础的SST湍流模型,在大范围攻角下对FFA和NACA两个系列的7种风力机叶型绕流流动进行了数值模拟,与实验结果对比证明了数值计算的可靠性。所得到的叶型气动性能数据,为工程设计提供了依据。 数值模拟结果表明,在相同的来流条件下,风力机专用叶型气动性能比传统叶型有较大提高,并且更符合风力机长叶片不同部位对叶型气动性能的要求。用于叶尖部分的薄叶型在小攻角下具有更高的升阻比;用于叶根部分的厚叶型具有更好的失速性能。通过分析,探讨了叶型的几何参数如厚度、最大厚度处距离前缘的距离等对叶型气动性能的影响规律,为我国设计和开发具有自主知识产权的风力机叶型提供了有意义的参考。 通过对NACA0015翼型头部施加定常吸气或振荡射流绕流流场的数值模拟,探讨了它们增加翼型气动性能的机理。数值模拟结果表明,定常吸气通过抽走翼型吸力面附近低能流体,增加了翼型吸力面附近流体的动能,提高了翼型的升力,减小了阻力;振荡射流将吸力面稳定的低能涡变成以一定频率脱落的强制分离涡,增加了翼型吸力面流体的动能,从而提高了翼型的升力。 通过数值模拟和风洞实验,探讨了定常吸气和振荡射流提高NACA0015翼型气动性能的规律,得到了施加定常吸气和振荡射流提高翼型气动性能的最有效位置区间、最优动量系数区间以及振荡射流的最优无量纲频率区间。
【关键词】：风力机 翼型 气动性能 定常吸气 振荡射流
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TK83
【目录】：

• 摘 要2-3
• Abstract3-5
• 目 录5-8
• 第一章 序 论8-26
• 1.1 国内外风力发电发展现状8-10
• 1.2 风力机的发展10-12
• 1.3 风力机气动性能参数与研究方法12-18
• 1.3.1 风轮的气动性能参数与设计方法的发展13-17
• 1.3.2 风力机叶型的气动性能参数17-18
• 1.4 提高叶型气动性能的研究进展18-24
• 1.4.1 改善叶型造型提高叶型气动性能18-20
• 1.4.2 采用流动的主动控制技术提高叶型气动性能20-24
• 1.4 课题的目的和内容24-26
• 第二章 流动的数值模拟方法26-44
• 2.1 流动控制方程26-27
• 2.2 湍流模型27-31
• 2.3 贴体坐标变换31-36
• 2.4 控制方程和差分格式36-40
• 2.4.1 扩散项37
• 2.4.2 对流项37-40
• 2.5 计算网格40-43
• 2.6 小结43-44
• 第三章 风洞实验方法44-52
• 3.1 实验风洞和实验叶片44-45
• 3.2 射流的产生和测量45-48
• 3.3 数据采集系统48-49
• 3.4 实验数据处理方法49
• 3.5 误差分析49-51
• 3.6 小结51-52
• 第四章 风力机专用叶型气动性能的研究52-72
• 4.1 流场数值模拟方法52-55
• 4.1.1 计算网格52-54
• 4.1.2 边界条件54-55
• 4.1.3 收敛控制55
• 4.2 NACA0015翼型绕流数值模拟结果与翼型特性55-60
• 4.3 新型风力机叶型绕流流动模拟结果及分析60-68
• 4.3.1 FFA系列叶型绕流流动模拟结果60-64
• 4.3.2 NACA系列叶型绕流流动数值模拟结果分析64-68
• 4.4 风力机专用叶型相对于传统翼型的特点68-69
• 4.5 叶型几何参数对气动性能的影响69-70
• 4.6 小结70-72
• 第五章 主动控制翼型失速提高翼型气动性能的研究72-89
• 5.1 定常吸气控制翼型失速的研究72-77
• 5.1.1 定常吸气边界条件72-73
• 5.1.2 施加定常吸气的翼型绕流流场数值模拟结果分析73-75
• 5.1.3 施加定常吸气后翼型总体气动性能的变化75-76
• 5.1.4 定常吸气动量系数 对翼型气动性能变化的影响76-77
• 5.1.5 施加定常吸气的位置对翼型气动性能的影响77
• 5.2 振荡射流控制翼型失速的研究77-87
• 5.2.1 振荡射流边界条件78
• 5.2.2 加入振荡射流后翼型表面压力分布和流场的变化78-82
• 5.2.3 加入振荡射流后翼型总体气动性能的变化82-85
• 5.2.4 振荡射流控制翼型失速规律的研究85-87
• 5.3 小结87-89
• 第六章 结论与展望89-92
• 6.1 结论89-90
• 6.2 突出成果和创新点90
• 6.3 展望90-92
• 参考文献92-96
• 致谢96-97
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文97

【引证文献】

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本文编号：385109