风力发电机叶片气动性能与结构分析

发布时间：2020-11-09 16:55

　　 小型垂直轴风力机既可以充分开发我国低风速区的风能资源,又可以满足偏远山区的用电需求,同时还可以缓解城市用电压力,因而小型垂直轴风力机拥有广阔的市场前景。但垂直轴风力机的设计理论不够完善,以及人们长期对垂直轴风力机的错误认识严重阻碍了垂直轴风力机的发展。近些年来计算流体力学的飞速发展为垂直轴风力机的发展奠定了坚实的物质基础。本文主要采用计算流体力学CFD (Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法,采用滑移网格技术,对二维风力机流场进行气动性能分析研究。 采用三种不同的湍流模型(Spalart-Allmaras单方程模型、Standard k-ε两方程模型和SST K-ω两方程模型)对NACA0016翼型进行数值模拟分析,通过获取不同攻角的升力系数及阻力系数对其气动性能进行分析。三种模型对失速攻角的预测都在15 ?左右,与AID翼型数据库给出的失速攻角基本吻合。对三种模型升阻力系数的模拟结果在基本翼型失速之前相同,在失速之后产生较大的差别,为后续选择合适的尖速比提供了依据;通过理论推导,得出了翼型攻角及相对风速与风轮转角的关系式,并用MATLAB编程绘制出其关系曲线,发现翼型在初始位置时的相对风速最大,此时攻角为零,相对风速不对叶片产生升力。 采用CFD数值模拟方法对风轮整机进行数值模拟,根据前面的理论分析,取风轮的尖速比为4和5来进行计算,通过压力云图、速度云图对风轮外流场进行分析,并分析不同尖速比下风速和风压的变化趋势;截取流场速度变化轨迹对其进行分析,并与定常数值模拟进行对比;获得了尖速比为4和5的风能利用率,对于小型垂直轴风力机而言,尖速比为4时风轮的风能利用率高于尖速比为5时的风轮风能利用率。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2011
【中图分类】：TK83
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究的目的和意义
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 课题研究的目的及其现实意义
        1.1.3 国内外风力发电的研究现状与趋势
    1.2 垂直轴风力发电机的发展现状
        1.2.1 垂直轴风力发电机
        1.2.2 水平轴风力发电机与垂直轴风力发电机的比较
    1.3 CFD 在风力机气动性能中的研究现状
    1.4 研究目标及内容
    1.5 本章小结
第2章 单个翼型气动性能模拟的研究
    2.1 NACA0016 翼型的数值模拟
        2.1.1 几何模型和网格划分
        2.1.2 翼型数值模拟的边界条件
        2.1.3 湍流数值模拟方法与控制方程的离散
        2.1.4 近壁面的湍流处理
        2.1.5 求解过程及收敛性的判定
        2.1.6 NACA001 6 翼型数值计算结果处理和分析
        2.1.7 升力系数与阻力系数
    2.2 垂直轴风力机转角与攻角及相对风速关系推导
        2.2.1 垂直轴风力机转角与攻角关系推导
        2.2.2 垂直轴风力机转角与相对风速关系推导
    2.3 本章小结
第3章 H 型垂直轴风力机整机数值模拟
    3.1 简化模型
    3.2 划分网格
        3.2.1 计算域的确定
        3.2.2 网格划分
    3.3 风机数值模拟控制方程及计算条件假定
        3.3.1 控制方程建立
        3.3.2 解析条件假定
        3.3.3 边界条件假定
        3.3.4 滑移网格技术
    3.4 湍流模型的选取及计算方法的确定
    3.5 数值模拟结果分析
        3.5.1 压力分布图
        3.5.2 速度分布图
    3.6 本章小结
第4章 不同尖速比风力机对比分析
    4.1 速度对比分析
        4.1.1 非定常数值模拟流场速度变化轨迹图
        4.1.2 定常数值模拟流场速度变化轨迹图
    4.2 压力对比分析
        4.2.1 非定常数值模拟流场压力变化轨迹图
        4.2.2 叶片表面压力变化曲线
    4.3 功率对比分析
    4.4 本章小结
结论与展望
    结论
    展望
参考文献
致谢

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本文编号：2876713