霜冰水平轴风力机叶片的钝尾缘翼型优化及气动特性研究

发布时间：2020-05-20 11:41

【摘要】：水平轴风力机大多工作在高寒、沿海等环境恶劣的地区,经常会遇到雨、雪等极端天气,此时叶片表面会出现结冰现象。结冰会改变叶片的气动外形并增大表面粗糙度,使叶片的升力系数降低,阻力系数增加,从而导致输出功率降低。鉴于外部处理方法的局限性,利用优化设计降低结冰对叶片气动性能的影响,成为目前风力机叶片表面防除冰研究的热点。本文以升力系数和升阻比最大为优化目标,提出表面粗糙钝尾缘翼型多目标优化方法;应用数学降维思想,提出通过拟合叶展方向多个截面冰形获得叶片表面霜冰冰形的新方法(BRISF);针对霜冰条件下翼型进行钝尾缘优化设计,进而采用BRISF方法获得具有霜冰冰形的钝尾缘叶片,并研究其输出功率、流场特性等。主要研究工作及成果如下:(1)利用翼型型线集成理论与B样条曲线,建立钝尾缘翼型型线控制方程组;采用凸台模拟粗糙度,利用粒子群算法耦合XFOIL软件对表面粗糙钝尾缘翼型进行多目标优化设计,并计算优化前后翼型的流场特性、气动性能、粗糙度敏感性。结果表明:表面粗糙钝尾缘翼型优化后,具有较低的粗糙度敏感性;钝尾缘对吸力面气流产生阻挡作用,改善了翼型表面压力分布,使气动性能明显提升。(2)针对三种不同步长方式,利用线性插值方法进行翼型冰形的拟合,提出翼型霜冰冰形形成方法(LIEEAS);并基于该方法和降维思想,将沿叶片展向多个截面结冰形状关键点坐标分别映射在摆振与挥舞面内,利用多项式拟合获得叶片霜冰冰形;分别定性和定量研究LIEEAS和BRISF方法的可靠性。结果表明:BRISF方法与FENSAP数值模拟所得冰形基本一致;LIEEAS与实验结果、BRISF与FENSAP结果的总体残差平方和均较小,数量级仅为10-4或10-5。(3)结合LIEEAS方法,利用粒子群算法耦合GAMBIT和FLUENT软件,对霜冰条件下的钝尾缘翼型进行优化设计,并对比研究优化前后翼型的气动性能及流场特性。结果表明:霜冰钝尾缘翼型优化后,升力系数增加且失速延迟,上下翼面压差增大,气动性能得到明显改善。(4)基于优化得到的霜冰条件下钝尾缘翼型,利用BRISF方法建立霜冰钝尾缘叶片,并对比分析干净叶片和霜冰尖、钝尾缘叶片的转矩、输出功率、流场特性等。结果表明:相比干净叶片,霜冰尖尾缘叶片的输出功率和气动性能均降低;霜冰钝尾缘叶片的输出功率及气动性能优于霜冰尖尾缘叶片。
【图文】：

球第一大能源生产和消费国，生产和生活高度依赖煤、能源消耗的比重远远高于发达国家。不合理的能源生程中所产生的污染物排放，特别是中国使用的煤炭大的大量的二氧化硫会排放到大气中，造成环境污染。逡逑污染环境下，，风能的开发和利用受到更广泛的关注和范围广、储存量大，清洁无污染的优势受到很多国家发价值。逡逑能资源丰富，主要分布在西北、东北、华北以及高山冷环境的影响，风力机在运行过程中会遇到叶片、机舱的气动性能降低，降低风能利用率，同时，会使叶片动频率增大，甚至会危害人生安全。因此，研究合理、行工况下风力机叶片结冰后的气动性能与结构特性，点。逡逑

逦Ｌ－１邋３逦－３邋｝Ｊ邋６Ｐ（１）＇－４Ｐ２＇－＾＇逡逑利用平移翼型前缘指定位置坐标的方法，在吸力面指定位置处添加一个高逡逑Ａ、宽／的凸台，如图２－１所示，平移坐标表达式为：逡逑１０逡逑
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK83

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本文编号：2672568