小型H型垂直轴风力机叶片翼型流固耦合分析及塔架静动力研究

发布时间：2020-08-13 13:08

【摘要】：风能作为一种重要的可再生能源,目前在世界范围内得到广泛利用。现代风力机主要分为两类：水平轴风力机与垂直轴风力机。小型H型垂直轴风力机具有低速性能好、噪音低、安全性高、结构简单、成本低廉等优点而拥有很大的市场前景。叶片和塔架是风力发电机系统的主要部件,叶片翼型气动性能的优劣对风力机的功率具有重要影响,塔架作为风力机的支撑部件,其安全性对风力机具有重要影响。本文将针对目前垂直轴风力机叶片通常采用的美国国家航空咨询委员会研制的NACA航空翼型进行流固耦合研究,利用有限元理论对垂直轴风力机圆筒塔架进行静力学与动力学分析。 针对风力机翼型在工作时的受力情况以及翼型相关的升力系数和阻力系数进行分析,为翼型的计算奠定基础,针对目前垂直轴风力机普遍使用的NACA0015翼型,根据该翼型的坐标数据,在ADINA软件前处理中建立其几何模型,在结构模块与流体模块中进行设置形成求解文件,利用ADINA中流固耦合计算模块ADINA-FSI对翼型进行数值计算。通过计算分析确定所选湍流Spalart-Allmaras模型的准确性与收敛性；计算在0度攻角时四种不同网格情况下的翼型流场分布,研究表明选择翼型表面网格60时耦合计算结果能够满足计算精度的要求,为本文的翼型流固耦合计算确定合适的网格；计算在不同来流攻角情况下的翼型气动特性,分析翼型的气动特性与入流攻角的关系；比较不同雷诺数情况下流固耦合计算、与纯流体计算翼型气动性能的差异,在低雷诺数时流体计算结果和耦合计算结果与实验结果均吻合,随着雷诺数的增大流固耦合计算结果与实验结果更接近。通过本文的研究为今后进一步进行翼型耦合研究与翼型优化做基础。 分析垂直轴风力机的风轮与塔架在极端条件下的受力计算方法,按山东省内出现的极端气候条件得到两种规格的风力机风轮与塔架的受力。按照简化力学模型方法与有限元方法计算在极端条件下塔架的抗压应力,分析塔架的强度,比较简化力学模型方法与有限元方法,得出有限元方法计算结果更加精确可靠；针对不同规格尺寸的圆筒塔架,分析改变圆筒壁厚与直径两种因素对于降低塔架应力的优越性,得出改变圆筒直径降低塔架应力更有经济性；考虑塔架整体结构与地基的影响,对风力机塔架进行模态分析,得到圆筒塔架固有频率在20Hz以内的四阶模态,考虑风力机风轮的旋转频率,按照国际标准规范对圆筒塔架的各阶频率进行分析,讨论塔架的模态对其安全性的影响；研究圆筒壁厚与半径因素对圆筒塔架模态的影响,为塔架的设计提供帮助。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK83

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