水平轴风力机空气动力学数值模拟

摘要

随着环境问题的日益突出，能源供应的渐趋紧张，可再生能源越来越引起人们的重视。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。涉及风力发电的问题很多，而风力机的气动问题是诸多问题中最基本的问题。在气动性能的研究中，应用最广泛的是叶素动量理论，但是由于要以一定的假设为基础，在应用中存在着预测不准确的缺点。随着现代计算机技术的发展和三维湍流模拟技术的提高，CFD方法在风力机气动性能研究中的作用越来越明显。基于此，本文选取了具有代表意义的风力机专用S809翼型和PhaseⅥ叶轮，对其稳态绕流流场进行了数值模拟计算。 本文首先建立了翼型流动的二维和三维物理、数学模型，对湍流分别采用Spalat-Allmaras湍流模型和k-ω SST湍流模型进行处理，并采用数值分析方法进行了相应的数值模拟计算。计算区域离散采用四边形或六面体单元进行结构化网格划分，壁面处湍流采用增强壁面函数法进行处理。求解过程中对速度和压力耦合采用SIMPLE算法。计算模型的攻角的变化范围为1°至20°，来流的雷诺数和马赫数分别为1×10<'6>和0.07333。数值计算结果与来自DTU的实验数据进行了比较，分析了翼型边界层分离流动现象，并得出了在三维模型下采用Spalat-Allmaras湍流模型时翼型失速性能的数值计算结果较为准确。 然后在基于叶片的旋转坐标系中建立了叶片旋转状态下流动的三维物理和数学模型，对湍流采用翼型气动性能计算中较准确的Spalart-Allmmas湍流模型进行处理，同样地采用数值分析方法进行了相应的数值模拟求解。在物理模型建立过程中，利用EXCEL软件生成叶片表面的空间坐标点，在Gambit中生成了PhaseⅥ叶片三维几何模型。求解过程中压力项采用在具有较大的压力梯度的旋转流动中处理比较有效的PRESTO(压力交错)格式离散，其它变量采用二阶迎风格式离散，并采用了分步求解法和欠松弛技术以提高解的收敛速度。 针对PhaseⅥ叶轮在UAE实验条件下的气动性能进行了模拟计算，分析了轴扭矩、风能利用系数和叶片径向某些截面上叶素法向力系数的分布特点，并与UAE实验值进行了比较，同时也探讨了翼型气动性能的三维旋转效应。并在此基础上研究了叶片桨距角和叶轮旋转速度对叶轮气动性能的影响情况，为进一步的研究奠定一定的基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

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世界风电发展状况

1.1.3中国风电发展状况

1.2风力机发展现状

1.2.1风力机及风力机叶片简介

1.2.2水平轴风力机的发展现状

1.2.3水平轴风力机发展中需要解决的问题

1.2.4水平轴风力机气动性能计算中存在的关键问题

1.3 CFD在水平轴风力机气动性能中的研究现状

1.3.1 CFD在风力机翼型气动性能中的研究现状

1.3.2 CFD在风力机叶轮气动性能中的研究现状

1.3.3风力机气动性能CFD计算中的湍流处理问题

1.3.4 CFD在风力机气动性能计算中存在的主要问题

1.4本课题的目的及内容

2水平轴风力机气动性能相关理论基础

2.1风力机叶片翼型气动性能

2.2风力机旋转叶片气动性能

2.3确定攻角的方法

2.4风力机叶轮气动参数

2.5水平轴风力机气动性能计算常用方法

2.5.1叶素动量理论

2.5.2计算流体力学(CFD)

3翼型气动性能的CFD模拟

3.1概述

3.2物理模型

3.3数学模型

3.3.1控制方程

3.3.2初边值条件

3.4数值求解

3.4.1网格划分

3.4.2控制方程离散

3.4.3求解过程及收敛性的判定

3.5结果处理和分析

3.5.1升力系数和阻力系数

3.5.2流场分析

3.6本章小结

4叶轮气动性能的CFD模拟

4.1物理模型

4.1.1叶轮的特性及叶片的几何建模

4.1.2叶轮流场计算区域

4.2数学模型

4.2.1旋转模型的选择

4.2.2控制方程

4.2.3初边值条件的设置

4.3数值求解

4.3.1网格划分

4.3.2求解过程

4.4结果处理及分析

4.4.1叶片壁面y+分布

4.4.2流场分析

4.4.3叶片气动特性分析

4.4.4翼型的三维旋转效应

4.4.5桨矩角对叶轮气动性能的影响

4.4.6转速对叶轮气动性能的影响

4.5本章小结

5结论和课题展望

致 谢

参考文献

附录