水平轴风力机叶片附近区域流场的数值研究

发布时间：2020-04-30 04:48

【摘要】： 风轮附近区域流场的速度分布和压力分布一直是国内外学者关注的热点。了解该区域流动的分布规律对掌握水平轴风力机功率的获取和提高,有着极为重要的意义。本文利用CFD软件Fluent,按照由浅入深、循序渐进的方式对风轮附近流场进行了数值研究,以等值线图、云图、流动矢量、流线、迹线、二维曲线图等方式较为形象直观地描述了流场运动规律。模拟过程中,将主要控制参数——升阻力系数以及部分流场视图,分别与相关文献和PIV实验进行了对照,误差在工程允许范围内。文章主要分两部分进行。第一部分,奠定研究基础。首先简要介绍第二代100W水平轴风力机的优化设计,设计基于叶素动量理论,利用Matlab编程的方式完成。其次,对设计风力机选用翼型NACA4415的绕流问题进行了数值研究和湍流模型选用的对比研究。第二部分,主体研究部分。先分别研究了二维、三维单叶片准动态绕流时计算区域的流场特性,尤其是尾流区的流场分布情况。最后又进一步探索性研究了三维旋转流场的特性,分别给出了风洞模型比和叶尖小翼对风力机尾流区的影响。数值模拟过程中,数学模型基于那维斯托克斯方程,采用基于压力求解器和离散求解器,稳态隐式方程解法,维数与湍流模型的选取由实际计算过程决定,压力速度耦合采用SIMPLE(求解压力耦合方程组的半隐式方法)算法,离散格式为二阶迎风格式;物理模型造型以及网格离散由前处理软件Gambit完成。为了尽可能减少总体网格数以及改善网格质量,采用了“自下而上”的方式,即“点-线-面-体”的步骤进行网格划分。论文研究证明:一方面,数值研究应用于求解风力机流场特性可行,可作为实验研究的一种补充和预测手段。另一方面,湍流模型、翼型攻角、风洞风轮模型比以及小翼对风力机叶片附近的流场都有很大的影响,进一步探索认清其规律有一定的意义。
【图文】：

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尾流区可利用能包括两个过程：第一，通过风轮从风轮中汲取动；第二，将轴功转化为可利用能（大多为电能，但也可为用的化学能）。其中，过程一为空气动力学关注范畴，在，其动能降低，部分转化为风轮轴处的机械能。经过风轮风轮前的气流来说，速度减小，湍流度增强，该部分气体区，如图 1－2 所示。

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图 2-1 风轮及叶片相关概念示意图图 2-2 翼型相关概念示意图Fig2-1 Related concepts of rotor and blade Fig2-2 Related concepts of airfoil（7）翼的前缘和后缘。如图 2－2，翼的前头为圆头，称翼的前缘，前缘处翼型内切圆半径为前缘半径。翼的尾部，称翼的后缘，若后缘为尖的，，则以后缘点上下翼面的切线夹角称为后缘角，若后缘是圆的，则对应后缘半径。（8）翼弦c。翼的前缘与后缘的连线称翼的弦，连线的长称为弦长 L。（9）翼的上表面（吸附面）：在图 2－2 中，翼弦上面的弧面。（10）翼的下表面（压力面）：在图 2－2 中，翼弦下部的弧面。（11）中弧线：翼形内切圆圆心的连线。（12）厚度t：同一 X 坐标处，翼的上表面和下表面相对应的距离。（13）弯度 f ：翼形的中弧线和翼弦间的高度。
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TK83

【引证文献】