基于马格努斯效应的风力机叶片流场的数值模拟

发布时间：2020-12-23 18:02

　　当前在传统能源日渐匮乏和环境问题越发严重的压力下,开发可再生的绿色能源已经成为了各国的未来能源战略的必然方向。而作为可再生能源形式的风力发电,不但清洁无污染,而且是可再生能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一,已受到世界各国的欢迎和重视。目前,风力发电机是风能利用最主要的形式,在风力发电机中最关键的部件是叶片。叶片的结构直接决定了风能利用的效率,因此叶片的构型设计和气动性能就一直是研究的焦点。叶片设计成功与否直接决定了风力机设计的成败。但是,我国在叶片研究领域起步较晚,还不具备自主研发的实力;而国外发达国家基于技术垄断的考虑,长期对我国的叶片设计进行技术封锁,所以在我国开展叶片的研究是很有必要的。本文提出了一种基于马格努斯效应的风能叶片的新构型,并对马格努斯叶片的力学模型、翼型的气动性能和叶轮的空气动力学等方面进行了相关的研究。首先,以动量理论、叶素理论和伯努利方程等基本理论为基础,利用风力机叶片设计的基本理论和贝茨模型推导出了马格努斯叶片的空气力学模型。在Fluent中完成了翼型的二维数值模拟,得到了影响翼型气动性能的规律,运用Matlab对求得的翼型各离散工况下的性能... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：83 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

马格努斯效应原理图

前者的叶片是圆柱型结构，并由一个额外的电动机驱动自转。当有风吹过叶片的时候，由马格努斯效应分析可知，这时会在叶片上产生一个升力，从而在安装叶片的主轴上产生一个转矩带动发电机发电，如图1-3所示。这种构型的风力发电机最大的优点在于能够产生很大的转动力矩，该力矩是普通风力发电机所产生的力矩的数倍。这样一来，风力发电机即使在低风速时也能够提供大的力矩带动发电机发电，这将大大降低风力发电机的最低启动速度，更大程度的利用风能，以及提高风力发电机的工作时间和效率。a) 主视图a) Main viewb) 俯视图b) Top view图1-3 马格努斯叶片的构型Fig.1-3 Configuration of Magnus blade1.4 本文主要研究内容本论文主要通过正交实验并利用数值模拟的方法分析相关因素对马格努斯叶片气动性能的影响，其研究内容主要包括以下几个方面：- 6 -

最早由德国科学家贝茨(Betz)提出了一种描述理想情况下的气流动量模型，也称为贝茨模型，如图2-3 所示。该模型考虑了若干假设条件的简化单元流管，主要用于描述气流与风轮间的作用关系。尽管贝茨模型缺乏对风能机组气动设计的具体指导，但可用于风轮的基本气动原理的分析，是风能利用的基础[34,35]。贝茨模型假设的理想情况为(1) 气流是不可压缩的水平均匀定常流，且风轮尾流不旋转.(2) 处于风轮前后远方的气流静压相等.(3) 将风轮简化为一圆盘，轴向力(推力)沿圆盘均匀分布，且圆盘上没有摩- 10 -

【参考文献】：
期刊论文
[1]我国风力发电设备制造业发展战略[J]. 徐进.  可再生能源. 2009(04)
[2]国外风力发电机的现状及前景展望[J]. 赵炜,李涛.  电力需求侧管理. 2009(02)
[3]绿色能源——风力发电[J]. 任承红,叶文存.  广东科技. 2009(04)
[4]风力发电技术及发展趋势[J]. 李娜,何凤有,李渊,马秀丽.  太阳能. 2008(11)
[5]正交试验设计实例分析[J]. 滕海英,祝国强,黄平,刘沛.  药学服务与研究. 2008(01)
[6]我国风力发电机组总装企业现状[J]. 祁和生.  中国科技投资. 2008(01)
[7]风力发电机叶片技术的发展概况与趋势[J]. 盖晓玲,田德,王海宽,韩巧丽,徐丽娜,王利俊.  农村牧区机械化. 2006(04)
[8]低雷诺数下旋转圆柱升力系数数值计算分析[J]. 王冲,刘巨斌.  华中科技大学学报(城市科学版). 2006(S2)
[9]风力发电控制系统研究[J]. 曾婧婧,杨平,徐春梅,蒋式勤.  自动化仪表. 2006(S1)
[10]风力发电复合材料叶片的现状与未来[J]. 张晓明.  纤维复合材料. 2006(02)

硕士论文
[1]风力机叶片几何设计与空气动力学仿真[D]. 包飞.大连理工大学 2009
[2]户用小型风力发电系统的研制[D]. 杨慧杰.北京工业大学 2007



本文编号：2934118