风力机钝尾缘翼型三维流动特性的研究

发布时间：2017-07-08 15:26

  本文关键词：风力机钝尾缘翼型三维流动特性的研究

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【摘要】：随着风力机朝着大型化发展,叶片气动特性与结构性能的矛盾日益突出。钝尾缘叶片结构及气动综合性能的优势为解决我国多低风速区、多高原风场及台风多发等特殊的风资源环境问题提供了一种有效方法。相对于常规翼型,由于尾缘形状的改变,钝尾缘翼型的气动特性将产生较大变化,尤其是三维特性目前尚缺乏充足的研究结果。BEM方法是目前叶片设计使用最广泛的一种方法,而该方法的准确性依赖于翼型的气动数据的准确性,因此研究钝尾缘翼型的三维特性对钝尾缘叶片的外形设计意义重大。为研究钝尾缘翼型的三维特性,作者以课题组设计开发的100 kW钝尾缘叶片为对象,分别采用CFD方法、风洞实验、反BEM方法,开展了以下工作：首先,利用风场实验结果及BEM设计结果验证CFD方法模拟钝尾缘叶片的可靠性,并对CFD结果进行了详细分析,结果表明,该钝尾缘叶片根部存在明显的展向流动,桨距角为0°时,尖速比越小,三维效应越明显；与相对应的100kW尖尾缘叶片进行对比,发现钝尾缘叶片气动性能与尖尾缘叶片气动性能有明显差别,钝尾缘叶片最优功率系数比尖尾缘叶片高6.64%。其次,开展风洞实验研究钝尾缘翼型的升阻力特性,同时验证二维数值模拟方法模拟钝尾缘翼型的可靠性。作者对相对厚度为25%,尾缘厚度不同的DU91-W2-250、DU91-W2-250_6 和 DU91-W2-250_10三种翼型进行了风洞实验,结果表明：三种翼型均具有良好的气动特性；对于采用保证相对厚度不变,对翼型尾缘进行非对称加厚的钝尾缘翼型而言,尾缘厚度增加,翼型升力系数、最大升力系数及阻力系数均增大,失速延迟。此外,分别采用CFD、Rfoil两种方法计算了翼型的升阻力系数,通过与实验结果对比发现,CFD模拟比Rfoil计算更符合实验结果,尾缘厚度对翼型升阻力特性的影响的结论与实验结果一致,验证了二维CFD方法的可靠性。最后,利用反BEM方法从100 kW钝尾缘叶片三维计算结果中获得叶片根部不同展向位置的钝尾缘翼型的三维流场信息,并与二维计算得到的翼型气动性能及流动特性进行对比分析。作者从不同方面分析了翼型三维气动性能与二维气动性能的异同,结果表明,钝尾缘翼型应用于叶片内侧,其气动性能优于相同厚度的尖尾缘翼型；从叶片三维计算获得的翼型气动性能优于二维计算。此外,作者还对叶片流动控制方程各项进行了量级分析,经分析发现叶片根部存在的明显展向流动与旋转导致的边界层方程中的对流项、科氏力项及离心力项直接相关,是造成从叶片三维计算获得的叶片根部翼型的三维气动特性明显有别于二维计算得到的翼型气动性能的主要原因,此种差异还与翼型展向位置、攻角关系密切。
【关键词】：钝尾缘叶片 数值模拟 钝尾缘翼型 风洞实验 旋转效应
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-26
• 1.1. 研究背景及意义16-19
• 1.2. 国内外研究现状19-23
• 1.2.1. 风力机叶片研究现状19-20
• 1.2.2. 风力机翼型研究现状20-22
• 1.2.3. 钝尾缘翼型三维气动特性研究现状22-23
• 1.3. 论文主要工作内容23-26
• 第2章 研究方法介绍26-38
• 2.1. 研究方法的发展26-27
• 2.2. CFD基础27-29
• 2.2.1. 流动控制方程27
• 2.2.2. Spalart-Allmaras湍流模型27-28
• 2.2.3. 湍流模型对网格的要求28-29
• 2.3. 翼型三维数据获取方法29-30
• 2.4. 实验30-36
• 2.4.1. 风洞30-31
• 2.4.2. 实验模型31
• 2.4.3. 实验装置31-34
• 2.4.4. 数据采集及处理34-36
• 2.5. 小结36-38
• 第3章 100kW钝尾缘叶片气动性能38-52
• 3.1. 100kW钝尾缘风力机叶片简介38
• 3.2. 叶片造型38-39
• 3.3. 计算方案39-41
• 3.3.1. 数值方法39-40
• 3.3.2. 计算工况40-41
• 3.4. 计算结果41-46
• 3.4.1. CFD计算结果验证41-43
• 3.4.2. 100kW钝尾缘叶片气动特性43-46
• 3.5. 钝尾缘叶片与尖尾缘叶片的对比46-50
• 3.5.1. 总体气动性能对比46-48
• 3.5.2. 叶片流场对比48-49
• 3.5.3. 叶根处翼型气动性能对比49-50
• 3.6. 小结50-52
• 第4章 钝尾缘翼型二维气动特性研究52-66
• 4.1. 引言52
• 4.2. 实验验证52-56
• 4.2.1. 圆柱实验52-55
• 4.2.2. 重复性实验55-56
• 4.3. 二维翼型CFD计算方案56
• 4.4. 实验结果分析56-59
• 4.5. 实验、Rfoil、CFD结果对比59-64
• 4.5.1. 不同研究方法获得翼型气动性能的差异59-61
• 4.5.2. 不同研究方法下,尾缘厚度对翼型性能产生的影响61-64
• 4.6. 小结64-66
• 第5章 钝尾缘翼型三维气动特性研究66-84
• 5.1. 引言66
• 5.2. 三维流动攻角获取66-70
• 5.3. 翼型计算方案70-71
• 5.4. 气动参数分析71-75
• 5.5. 流场分析75-76
• 5.6. 理论分析76-82
• 5.6.1. 三维不可压缩边界层方程76-77
• 5.6.2. 三维不可压缩边界层方程各项量级分析77-82
• 5.7. 小结82-84
• 第6章 结论与展望84-86
• 6.1. 论文完成的主要工作84-85
• 6.2. 展望85-86
• 参考文献86-90
• 攻读硕士期间发表的学术论文与获奖情况90-92
• 致谢92-94
• 附录94-97

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 李秋悦;申振华;;翼型进行钝尾缘修改后气动性能的数值研究[J];沈阳航空工业学院学报;2007年01期

2 张亮;吴海涛;荆丰梅;崔琳;;海上漂浮式风力机研究进展及发展趋势[J];海洋技术;2010年04期

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4 李仁年;袁尚科;赵子琴;;尾缘改型对风力机翼型性能的影响研究[J];空气动力学学报;2012年05期

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本文编号：535179