Magnus效应风力机气动性能数值模拟及翼型优化探索

发布时间：2020-10-16 01:38

　　 风力机是将风的机械能转化为电能的关键设备,一向是风能发展技术的重点研究领域。风力机叶片是能量转化的核心装置,其性能直接影响整机的风能利用效率。商业化水平轴风力机单机容量多为兆瓦级别,叶片长度均达到数十米,重力载荷较大;为了提高风能利用效率叶片多伴有一定的扭转角,叶片制造加工有一定的难度,并对攻角比较敏感;此类型风力机切入速度多为4m/s及以上,在中低速风速区间效率不高。而基于Magnus效应的叶片构型,其可有效地利用中低速风资源,且叶片加工制造较为简单,然而其在风能利用效率方面仍不及传统大型商业化风力机。因此运用数值模拟技术研究其流场规律并探究不同叶片配置,寻找提升效率的途径是非常必要的。本文首先介绍传统风力机的空气动力学理论例如致动桨盘理论,叶素理论,以及简化叶素动量理论等,并结合Magnus效应风力机实际情况对公式进行一定的扩展与改写,建立其对应的空气动力学模型。其次简要地介绍计算流体动力学软件的基本工作原理。并运用数值模拟软件Fluent对其二维翼型在不同来流风速以及自转速度工况下模拟,研究其流场特性。得出二维旋转圆柱绕流的升力系数随着转速的增大而增大,随着来流风速的增大而减小,且数值与周速比正相关。二维翼型在中低风速区的升阻比数值较高。再次对于不同配置的三维叶轮进行不同工况模拟,研究叶片几何外形参数对于风能利用效率的影响,并探究叶片最优配置。得出叶轮在周速比为2到6时效率可达到25%以上,且6叶片配置更优。最后针对Magnus效应风力机翼型升阻比不高的特点,提出二维翼型的优化方案,并探索其可行性与进一步优化方向。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TK83
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 风力机发展现状
    1.3 风力机翼型研究进展
    1.4 Magnus效应应用研究现状
    1.5 本文的主要内容
2 Magnus效应风力机空气动力学基础
    2.1 旋转圆柱势流
    2.2 致动桨盘理论
    2.3 叶素理论
    2.4 动量理论与叶素动量理论
    2.5 本章小结
3 Magnus效应风力机二维翼型数值模拟
    3.1 计算流体动力学简介
    3.2 旋转圆柱绕流计算模型建立
    3.3 旋转圆柱绕流流场特性分析
    3.4 本章小结
4 Magnus效应风力机叶轮三维模拟
    4.1 三维叶轮计算模型建立
    4.2 Magnus效应风力机流场特性分析
    4.3 本章小结
5 Magnus效应风力机翼型优化
    5.1 二维翼型优化
    5.2 优化结果分析
    5.3 本章小结
6 总结及展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
附录：攻读硕士期间论文发表及专利申请情况

【参考文献】

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本文编号：2842553