新型高性能风力机翼型气动性能的数值研究

摘要

风能作为一种清洁无污染的可再生能源，在人类目前所使用的各种能源中所占的比例越来越重。同时由于风能的开发过程不破坏环境，无污染，几乎取之不竭得优点，越来越多的国家和地区投入到风力发电的研究和风电产业建设中来，过去10年我国的装机总量年均增长速度达到50％以上。叶片作为风力机中最关键的部件之一，对翼型的研究是风力机研究的基础，也有助于推动我国风力发电事业的快速发展。随着计算机技术的发展，CFD方法在研究翼型气动性能中的作用越来越明显。本文用CFD数值模拟的方法对本课题组和丹麦技术大学联合开发的CQU-DTU-A18翼型进行气动性能分析，主要进行了以下几个方面的研究工作：
　　 ①分析了国内外风力发展现状及风力机专用翼型气动性能现状的基础上，对分析了各系列风力机专用翼型的特点，翼型的几何参数包括翼弦、前缘半径、厚度、中弧线、弯度和尾缘厚度等这些参数直接影响翼型的气动性能，以及本课题组和丹麦技术大学联合开发的CQU-DTU系列翼型。
　　 ②对水平轴风力机运行条件下的CQU-DTU-A18翼型绕流流场进行了数值模拟，将翼型数据导入前处理软件Gambit，建立二维模型、创建流场和划分网格，设置边界条件，导出mesh文件，将mesh导入FLUENT软件进行计算。数值模拟过程采用了四种湍流模型，并将其计算结果进行比较，最终选取Spalart-Allmaras湍流模型对本文中的翼型进行气动性能模拟。
　　 ③在雷诺数Re=1.0×106，马赫数Ma=0.15，攻角范围0°～30°，用Spalart-Allmaras对CQU-DTU-A18翼型进行了数值模拟，得到了翼型随攻角变化的升力系数、阻力系数，压力系数，并对NACA和FFA-W3-211两个系列的3种翼型进行了气动性能的分析和计算，得出了CQU-DTU-A18翼型具有更好的气动性能，如更高的升力系数升阻比、更低的阻力系数和更好的失速性能：最大升力系数为2.2477，最大升阻比为75.26，最大升力系数与翼型NACA63-218、NACA63-418和FFA-W2-211的最大升力系数相比分别高51％、46.1％和35.54％；最大升阻比和NACA63-218、NACA63-418与FFA-W3-211最大升阻比分别增加34.27％、23.36％、19.76％；翼型在大攻角下，流动分离比较迟。并初步探讨了翼型几何特性对翼型气动性能的影响，较大的前缘半径，翼型上表面流场的流线曲面，较大的上翼面弯度，下翼面后半翼面的大曲度对提升翼型气动性能后重要的作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1风力发电发展现状

1.1.1风能利用优势

1.1.2世界风电发展概况

1.1.3中国风电发展状况

1.2国内外水平轴风力机翼型的研究状况

1.3论文的现实意义和研究内容

1.4小结

2风力机的基础理论

2.1风力机的发展状况

2.2风力机的能量转换过程

2.2.1风能的计算

2.2.2 Betz理论

2.2.3风力机的特性系数

2.3翼型的基本理论

2.3.1翼型的几何参数

2.3.2作用在旋转叶片上的气动力

2.4翼型空气动力学特性

2.4.1翼面压强系数

2.4.2升力系数

2.4.3阻力系数

2.4.4影响翼型空气动力特性的主要因素

2.5传统风力机翼型

2.5.1 NACA四位数字翼型族

2.5.2 NACA五位数字翼型族

2.5.3 NACA四、五位数字修改翼型族

2.5.4 NACA层流翼型

2.6风力机专用翼型

2.6.1 SERI翼型系列

2.6.2RISΦ-A系列翼型

2.6.3 FFA-W系列翼型族

2.6.4 NREL系列翼型

2.6.5 CQU-DTU系列翼型

2.7风力机专用翼型和航空翼型的比较

2.8小结

3流动的数值模拟方法与翼型二维分析模型建立

3.1流动控制方程

3.1.1质量守恒方程(连续性方程)

3.1.2动量守恒方程(运动方程)

3.2湍流模型

3.2.1湍流模型分类

3.2.2平均量输运方程

3.3.3湍流模型简介

3.3流场数值计算算法

3.4 湍流数值模拟方法比较及选择

3.5翼型的二维建模与分析

3.5.1GAMBIT介绍

3.5.2 二维翼型创建

3.5.3创建流场

3.5.4划分网格

3.5.5 Fluent计算

3.6小结

4风力机翼型的气动特性分析

4.1流场数值模拟结果与翼型气动特性

4.2常用风力机翼型绕流流动数值模拟结果分析

4.2.1 NACA系列翼型绕流流动数值模拟结果

4.2.2 FFA-W3-211翼型绕流流动数值模拟结果

4.3新型高性能风力机翼型相对于传统翼型的特点

4.4小结

5结论和课题展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录