小型风力机叶片的优化设计及流固耦合分析
发布时间：2021-02-23 23:05
风能作为一种清洁无污染的可再生能源受到人们青睐,风力机的研究与发展对我国经济社会发展有积极的意义。本文以可在城市使用的小型风力机为研究对象,利用修正系数的方法改进叶片的外形参数,以此提高风力机的整体气动性能。本文以Wilson理论为基础,基于叶素动量修正理论,建立风力机叶片设计的理论模型。选择适用于中低速风况下的NACA63-215翼型,依据风能利用系数局部最优原则,通过Matlab等软件进行寻优计算,得到叶片不同半径处的诱导因子,利用参数化设计方法获得了叶片的弦长、扭角,建立3-8叶片6种不同风力机叶片的实体模型。叶片的外形参数得到优化,提高了风力机的输出功率与叶片的结构强度。以NACA63-215翼型作为叶片设计的原始翼型,并采用数值计算的方法分析各种湍流模型、雷诺数、叶片攻角、相对厚度等因素对翼型气动性能的影响。结果表明:在小型风力机的运行工况下,S-A湍流模型所得结果与文献所提供的结果更为吻合。同时发现,受攻角影响风力机翼型的流场会发生明显变化,攻角为0°时,翼型的上下表面的速度场与压力场呈对称分布;攻角为8°时,翼型前段出现明显的负压区域,翼型下表面压强高于上表面;攻角为16...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全球能源利用发展趋势
青岛科技大学研究生学位论文3图1-22019-2023年亚洲风电年新增装机容量预测（GW）Fig.1-2ForecastofNewlyInstalledCapacityofAsianWindPowerin2019-2023(GW)风力发电技术快速发展，成为最环保、高效的绿色能源之一。目前亚洲是世界上最大的风力发电市常2008-2018年，中国连续10年新增加装机量保持世界第一。截至2018年，中国新增装机量为21.2GW，占全球的45%。根据我国风力发电的预测，2020年底，我国风电装机容量会达到1.2×108KW。风电产业的大规模、产业化的发展，使得各项相关的经济指标提高，风电企业的盈利能力与竞争力得到大幅度提高。主要是由于最近几年火力发电成本的增加，风力发电具有很大的竞争力。2030年之后水能资源开发基本完成，海上风力发电将进入黄金时期。从图1-2可以看出，在未来中国依然是世界最大的风场，远远高于印度和其它亚太地区。我国有广阔的陆地面积，风能资源的分布十分广泛，近地面风能总储存量为32×108kW，风力发电量的理论值为223×108kWh，可利用风能2.53×108kW，平均的风能密度为100W/m2[5-6],尤其在我国的西北地区、东北地区风能资源更为丰富。在可持续发展政策的引领下，风力发电在我国会有更广阔的发展空间。1.2国内外风力机研究现状风力发电技术是将机械能转化为电能，风能作用于叶轮，叶轮的转动来带动内部线圈做切割磁感线运动，产生电能并储存在装置中。风力发电机的种类也是多样的，按照风力发电系统装机容量划分：小型、中型、大型、特大型风力机；按照风轮的类型：水平轴风力机与垂直轴风力机；按照能源利用的形式：陆地风力发电和海上风力发电[7]。风力发电的运行方式一般分为3种：（1）独立运行方式，主要是一台小型风力发电机发电并储存在蓄电池中，供家庭使用。
小型风力机叶片的优化设计及流固耦合分析102小型风力机叶片的设计风力发电技术日趋成熟，叶片是风力机研究的关键部分，叶片的设计与制造会影响风轮的气动效率。理论模型的选择与参数的计算会直接决定风力机叶片结构强度和功率系数。风力机叶片设计理论模型的研究越来越普遍，在风力机设计中应用比较广泛的模型有简化风车理论模型、葛劳涡漩涡流理论模型、Wilson理论模型等。其中Wilson理论模型能够综合考虑叶尖、叶根的损失系数，与其它理论模型相比，能够较为精确的反映叶片的运行状态。Wilson理论模型中主要包含贝兹理论、动量理论、叶素理论、涡流理论四种基本的理论。本文以Wilson理论为基础，考虑到气流通过风轮后的实际状态，基于叶素动量理论系数修正，设计多种小型风力机叶片模型。2.1风力机机叶片设计基本理论2.1.1贝兹理论贝兹理论用来计算风力叶轮能量转换效率的重要理论，贝兹理论是一种理想模型。在这个过程中将风轮视为一个叶片数目无穷多的圆盘。同时不考虑空气的流动阻力和摩檫力，仅考虑气流经过风轮的轴向速度。图2-1贝茨理论原理图Fig.2-1Batestheoryprinciplediagram图2-1所示简化为单向流体通道，风轮左侧为气流的来流方向，其流动速度为V1,气流通过风轮后其速度为V，而在风轮右侧气流速度为V2，气流在风轮左侧来流方向截面积为S1，风轮的横掠面积为S，气流在风轮下游截面处面积为S2。由于风轮对气流有阻碍作用，风轮前后的速度明显不同，其中V1高于V2，S1低于S2。将空气视为不可压缩气体，气流作用在风轮表面的力：)(21VVSVF（2-1）
本文编号：3048386
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全球能源利用发展趋势
青岛科技大学研究生学位论文3图1-22019-2023年亚洲风电年新增装机容量预测（GW）Fig.1-2ForecastofNewlyInstalledCapacityofAsianWindPowerin2019-2023(GW)风力发电技术快速发展，成为最环保、高效的绿色能源之一。目前亚洲是世界上最大的风力发电市常2008-2018年，中国连续10年新增加装机量保持世界第一。截至2018年，中国新增装机量为21.2GW，占全球的45%。根据我国风力发电的预测，2020年底，我国风电装机容量会达到1.2×108KW。风电产业的大规模、产业化的发展，使得各项相关的经济指标提高，风电企业的盈利能力与竞争力得到大幅度提高。主要是由于最近几年火力发电成本的增加，风力发电具有很大的竞争力。2030年之后水能资源开发基本完成，海上风力发电将进入黄金时期。从图1-2可以看出，在未来中国依然是世界最大的风场，远远高于印度和其它亚太地区。我国有广阔的陆地面积，风能资源的分布十分广泛，近地面风能总储存量为32×108kW，风力发电量的理论值为223×108kWh，可利用风能2.53×108kW，平均的风能密度为100W/m2[5-6],尤其在我国的西北地区、东北地区风能资源更为丰富。在可持续发展政策的引领下，风力发电在我国会有更广阔的发展空间。1.2国内外风力机研究现状风力发电技术是将机械能转化为电能，风能作用于叶轮，叶轮的转动来带动内部线圈做切割磁感线运动，产生电能并储存在装置中。风力发电机的种类也是多样的，按照风力发电系统装机容量划分：小型、中型、大型、特大型风力机；按照风轮的类型：水平轴风力机与垂直轴风力机；按照能源利用的形式：陆地风力发电和海上风力发电[7]。风力发电的运行方式一般分为3种：（1）独立运行方式，主要是一台小型风力发电机发电并储存在蓄电池中，供家庭使用。
小型风力机叶片的优化设计及流固耦合分析102小型风力机叶片的设计风力发电技术日趋成熟，叶片是风力机研究的关键部分，叶片的设计与制造会影响风轮的气动效率。理论模型的选择与参数的计算会直接决定风力机叶片结构强度和功率系数。风力机叶片设计理论模型的研究越来越普遍，在风力机设计中应用比较广泛的模型有简化风车理论模型、葛劳涡漩涡流理论模型、Wilson理论模型等。其中Wilson理论模型能够综合考虑叶尖、叶根的损失系数，与其它理论模型相比，能够较为精确的反映叶片的运行状态。Wilson理论模型中主要包含贝兹理论、动量理论、叶素理论、涡流理论四种基本的理论。本文以Wilson理论为基础，考虑到气流通过风轮后的实际状态，基于叶素动量理论系数修正，设计多种小型风力机叶片模型。2.1风力机机叶片设计基本理论2.1.1贝兹理论贝兹理论用来计算风力叶轮能量转换效率的重要理论，贝兹理论是一种理想模型。在这个过程中将风轮视为一个叶片数目无穷多的圆盘。同时不考虑空气的流动阻力和摩檫力，仅考虑气流经过风轮的轴向速度。图2-1贝茨理论原理图Fig.2-1Batestheoryprinciplediagram图2-1所示简化为单向流体通道，风轮左侧为气流的来流方向，其流动速度为V1,气流通过风轮后其速度为V，而在风轮右侧气流速度为V2，气流在风轮左侧来流方向截面积为S1，风轮的横掠面积为S，气流在风轮下游截面处面积为S2。由于风轮对气流有阻碍作用，风轮前后的速度明显不同，其中V1高于V2，S1低于S2。将空气视为不可压缩气体，气流作用在风轮表面的力：)(21VVSVF（2-1）
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