水平轴风力机叶片气动性能的数值计算和分析
发布时间：2020-08-18 16:42
【摘要】：作为可再生能源,风能越来越受到全世界的重视。本文以风力机专用翼型S809和NREL Phase VI风力机叶片作为研究对象,采用数值计算的研究方法对风力机翼型和叶片的绕流流动进行研究和分析。 本文采用有限体积法和SIMPLE算法,研究了计算区域大小和网格尺度大小对风力机翼型和风力机叶片的绕流流动数值计算精度的影响,得出合适的计算区域和网格尺度大小;在此基础上分析不同湍流模型对风力机翼型和风力机叶片的绕流进行数值计算的可行性,选取了适合风力机翼型和叶片的绕流流动的湍流模型。采用非定常求解器分析了风力机翼型的静态失速和动态失速的流动特征;采用DES模型和滑移网格方法对风力机叶片的绕流进行数值计算,分析和讨论了风力机叶片表面的极限流线、叶片截面的压力系数和沿叶片展向输出转矩的分布。将一些有意义的结论总结如下: (1)翼型处于失速区时,上行攻角增大的过程,翼型的升力系数大于静态的升力系数;在下行攻角减小的过程,翼型的升力系数小于静态的升力系数。随着初始角、折算频率和攻角变化的振幅增大,翼型的空气动力参数迟滞曲线包围的面积增大,翼型的动态失速效应增强。 (2)风力机叶片绕流流动在低速来流风速时,采用κ-ωSST湍流模型和多重坐标系的计算方法,叶片各个截面的压力系数与实验测试数据一致;高速来流风速时,采用DES和滑移网格模型的计算方法,叶片各个截面的压力系数与实验测试数据一致。 (3)风力机叶片绕流流动在低速来流风速时,沿来流速度的流动方向,叶片不同截面的流体流动未发生边界层分离,沿叶片展向流体未发生流动。高速来流风速时,沿来流速度流动方向,靠近叶根截面的流体流动发生边界层分离,同时流体沿叶片展向上也发生流动。 (4)风力机叶片沿展向单位长度输出转矩系数分布随来流风速变化而变化,低速来流风速时,单位长度输出的转矩系数从叶根到叶尖呈现先上升后下降的趋势,在r/R=0.80附近达到极大值,风力机叶片的输出转矩主要集中在r/R=0.60-0.80;高速来流风速时,单位长度输出的转矩系数呈现双峰分布,r/R=0.60达到极小值,其后又开始上升,在r/R=0.80附近达到极大值。 (5)随来流风速增大流体出现流动分离,流体在叶片展向存在流动;科氏力和离心力共同作用使流体流动的边界层分离发生延迟;相同雷诺数和攻角情况,靠近叶根截面的翼型升力系数大于二维静止状态的升力系数1倍。 风力机气动性能的准确计算和流动分析,是风力机叶片气动设计的关键环节,本文对风力机翼型和叶片绕流流动的数值计算方法的研究以及对数值计算的流场数据进行气动性能和流动特征的分析,均可以为风力机专用翼型的设计和风力机叶片的失速延迟模型和动态失速模型提供理论依据和帮助。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK83
【图文】：
三十的增长速度，预计至 2015 年，风力发电行业的总产值增至目前的五倍[3]。目前全球有五十多个国家在积极进行风能事业的发展，平均增长速度为 30%，而美国、德国和意大利的增长速度高达 50%以上，德国的风力发电量占总发电量的 5%以上，丹麦的风力发电量已经超过总发电量的 20%。Vestas(丹麦)、Gamesa(西班牙)、Nordex(德国)等国际型大企业都分布在这些风力发电发达的国家。我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面 10 m 高度层的风能资源总储量为 32.26 亿千瓦，可开发量为 2.53 亿千瓦；近海（水深不超过 10 m）区域，离海面 10m 高度层的风能储量约为 7.5 亿千瓦。我国具备大规模发展风力发电的资源条件，内蒙、吉林、辽宁已经成为我国风力发电最多的三个省区。目前风力发电成为增长最快的新能源的一种，在过去十几年，风电成本降低了 50%,与传统能源成本并无劣势，风力机组的可靠度、效率和质量等方面都有极大的改善和提高。如图 1、图 2,近几年全球和我国风电行业均快速发展, 2008 年中国新增风电装机容量630万千瓦，新增量位列全球第二，截至2008年底总装机容量达到1221万千瓦，同比增速 106%，持续三年翻番, 截至 2010 年底，中国全年风力发电新增装机达 1600 万千瓦，累计装机容量达 4182.7 万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一，提前实现 2020 年可再生能源中长期规划的装机容量 3000 万千瓦的目标[2-3]。单位:万千瓦
三十的增长速度，预计至 2015 年，风力发电行业的总产值增至目前的五倍[3]。目前全球有五十多个国家在积极进行风能事业的发展，平均增长速度为 30%，而美国、德国和意大利的增长速度高达 50%以上，德国的风力发电量占总发电量的 5%以上，丹麦的风力发电量已经超过总发电量的 20%。Vestas(丹麦)、Gamesa(西班牙)、Nordex(德国)等国际型大企业都分布在这些风力发电发达的国家。我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面 10 m 高度层的风能资源总储量为 32.26 亿千瓦，可开发量为 2.53 亿千瓦；近海（水深不超过 10 m）区域，离海面 10m 高度层的风能储量约为 7.5 亿千瓦。我国具备大规模发展风力发电的资源条件，内蒙、吉林、辽宁已经成为我国风力发电最多的三个省区。目前风力发电成为增长最快的新能源的一种，在过去十几年，风电成本降低了 50%,与传统能源成本并无劣势，风力机组的可靠度、效率和质量等方面都有极大的改善和提高。如图 1、图 2,近几年全球和我国风电行业均快速发展, 2008 年中国新增风电装机容量630万千瓦，新增量位列全球第二，截至2008年底总装机容量达到1221万千瓦，同比增速 106%，持续三年翻番, 截至 2010 年底，中国全年风力发电新增装机达 1600 万千瓦，累计装机容量达 4182.7 万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一，提前实现 2020 年可再生能源中长期规划的装机容量 3000 万千瓦的目标[2-3]。单位:万千瓦
图 1.3 风力发电机组的容量发展趋势1.3 国内外风力机研究状况风力机是风力发电机组的核心部件，是实现风能向电能转化的一种机械装置。风力机效率的高低直接决定风力发电机组的效率和风力发电机组的经济性；叶片是风力机的最核心部件，叶片的气动特性参数，直接关系到风力发电机组的寿命，又是风电机组运行过程中系统的控制输入参数和目标对象。因而，风力机叶片的气动特性和性能的研究开发是风力发电技术之中的重要和关键课题。翼型是组成风力机叶片的基本单元，目前风力机叶片的设计基本都是通过若干基础翼型的堆叠和扭转完成，因此翼型的气动特性是风力机叶片气动特性的基础。传统的风力机叶片设计直接采用航空翼型，研究者对风力机翼型的研究不断深入，逐步发现航空翼型并不能很好的满足风力机叶片的工况。结合风力机运行的流动工况，优秀的风力机翼型应当具备以下几种特性[5]：1．为了达到风力机叶轮最大功率的输出，叶片靠近叶尖部分的翼型应当具备
本文编号：2796472
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK83
【图文】：
三十的增长速度，预计至 2015 年，风力发电行业的总产值增至目前的五倍[3]。目前全球有五十多个国家在积极进行风能事业的发展，平均增长速度为 30%，而美国、德国和意大利的增长速度高达 50%以上，德国的风力发电量占总发电量的 5%以上，丹麦的风力发电量已经超过总发电量的 20%。Vestas(丹麦)、Gamesa(西班牙)、Nordex(德国)等国际型大企业都分布在这些风力发电发达的国家。我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面 10 m 高度层的风能资源总储量为 32.26 亿千瓦，可开发量为 2.53 亿千瓦；近海（水深不超过 10 m）区域，离海面 10m 高度层的风能储量约为 7.5 亿千瓦。我国具备大规模发展风力发电的资源条件，内蒙、吉林、辽宁已经成为我国风力发电最多的三个省区。目前风力发电成为增长最快的新能源的一种，在过去十几年，风电成本降低了 50%,与传统能源成本并无劣势，风力机组的可靠度、效率和质量等方面都有极大的改善和提高。如图 1、图 2,近几年全球和我国风电行业均快速发展, 2008 年中国新增风电装机容量630万千瓦，新增量位列全球第二，截至2008年底总装机容量达到1221万千瓦，同比增速 106%，持续三年翻番, 截至 2010 年底，中国全年风力发电新增装机达 1600 万千瓦，累计装机容量达 4182.7 万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一，提前实现 2020 年可再生能源中长期规划的装机容量 3000 万千瓦的目标[2-3]。单位:万千瓦
三十的增长速度，预计至 2015 年，风力发电行业的总产值增至目前的五倍[3]。目前全球有五十多个国家在积极进行风能事业的发展，平均增长速度为 30%，而美国、德国和意大利的增长速度高达 50%以上，德国的风力发电量占总发电量的 5%以上，丹麦的风力发电量已经超过总发电量的 20%。Vestas(丹麦)、Gamesa(西班牙)、Nordex(德国)等国际型大企业都分布在这些风力发电发达的国家。我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面 10 m 高度层的风能资源总储量为 32.26 亿千瓦，可开发量为 2.53 亿千瓦；近海（水深不超过 10 m）区域，离海面 10m 高度层的风能储量约为 7.5 亿千瓦。我国具备大规模发展风力发电的资源条件，内蒙、吉林、辽宁已经成为我国风力发电最多的三个省区。目前风力发电成为增长最快的新能源的一种，在过去十几年，风电成本降低了 50%,与传统能源成本并无劣势，风力机组的可靠度、效率和质量等方面都有极大的改善和提高。如图 1、图 2,近几年全球和我国风电行业均快速发展, 2008 年中国新增风电装机容量630万千瓦，新增量位列全球第二，截至2008年底总装机容量达到1221万千瓦，同比增速 106%，持续三年翻番, 截至 2010 年底，中国全年风力发电新增装机达 1600 万千瓦，累计装机容量达 4182.7 万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一，提前实现 2020 年可再生能源中长期规划的装机容量 3000 万千瓦的目标[2-3]。单位:万千瓦
图 1.3 风力发电机组的容量发展趋势1.3 国内外风力机研究状况风力机是风力发电机组的核心部件，是实现风能向电能转化的一种机械装置。风力机效率的高低直接决定风力发电机组的效率和风力发电机组的经济性；叶片是风力机的最核心部件，叶片的气动特性参数，直接关系到风力发电机组的寿命，又是风电机组运行过程中系统的控制输入参数和目标对象。因而，风力机叶片的气动特性和性能的研究开发是风力发电技术之中的重要和关键课题。翼型是组成风力机叶片的基本单元，目前风力机叶片的设计基本都是通过若干基础翼型的堆叠和扭转完成，因此翼型的气动特性是风力机叶片气动特性的基础。传统的风力机叶片设计直接采用航空翼型，研究者对风力机翼型的研究不断深入，逐步发现航空翼型并不能很好的满足风力机叶片的工况。结合风力机运行的流动工况，优秀的风力机翼型应当具备以下几种特性[5]：1．为了达到风力机叶轮最大功率的输出，叶片靠近叶尖部分的翼型应当具备
【引证文献】
相关博士学位论文 前1条
1 华欣;海鸥翅翼气动性能研究及其在风力机仿生叶片设计中的应用[D];吉林大学;2013年
相关硕士学位论文 前2条
1 焦华超;兆瓦级风力机叶片气动特性分析[D];新疆大学;2012年
2 杨娜;风力发电机组载荷建模与控制[D];华北电力大学;2012年
本文编号：2796472
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