变工况下大型风力机风轮的气动性能预估

摘要

随着科学技术的发展，能源需求日益增大，同时，环境保护问题也迫在眉睫。利用水平轴风力机发电是风能利用的主要形式。风轮是风力机的关键部件，风力机翼型设计和风轮的空气动力学研究是风力机研究的基础，风轮的空气动力学研究目前主要采用旋涡诱导的方法进行理论研究，CFD方法是翼型气动性能计算的主要途径之一，也是风力机专用翼型研究的主要问题之一。 本文在简单分析了国内外风电开发现状及风力机翼型气动性能研究现状的基础上，对几种常用的水平轴风力机及翼型系列做了介绍。首先，针对NACA系列翼型，对风力机翼型采用CFD方法对其气动特性进行了数值模拟，得到了有意义的结论。最后，以MATLAB编程计算的方式进行风轮的气动性能预估，主要包括两个部分：一是采用风力机风轮的空气动力学动量叶素理论进行风轮的气动性能预估;二是采用葛劳渥旋涡理论气流诱导转动进行风轮的气动性能预估。两种方法是对已设计好的风力机风轮进行空气动力特性预估，得到空气动力参数，求得风轮的推力F、扭矩M及功率P，最后求得风轮的三个系数Cf、Cm和Cp，从而可以绘制Cf、Cm和Cp，随λo的变化曲线，以及P随切入切出风速之间的空气动力特性曲线，并总结相关规律。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2世界风力发电的发展概况

1.2.1世界风力发电的历史

1.2.2世界风力发电的现状和趋势

1.2.3我国风力发电的现状和趋势

1.2.4风力发电机的生产及运行情况

1.3风电机组的技术发展前景

1.4风力机的类型简介

1.4.1水平轴风力机

1.4.2垂直轴风力机

1.5本文主要内容

第2章 风力机风轮的空气动力学理论

2.1风速的理论研究和估算

2.1.1风速的数学表达式

2.1.2风力机特征风速的推导

2.2风力机风轮的空气动力学基础理论

2.2.1风能的计算

2.2.2贝茨理论

2.2.3风力机的特性系数

2.2.4翼型的几何参数和空气动力特性

2.2.5简化的风力机风轮气动理论

2.2.6涡流理论

2.3本章小结

第3章风力机翼型的空气动力学综述及CFD数值模拟

3.1风力机翼型

3.1.1翼型几何参数

3.1.2翼型的空气动力特性

3.1.3影响翼型空气动力特性的主要因素

3.1.4传统风力机翼型

3.1.5风力机专用翼型

3.1.6风力机专用翼型和航空翼型的不同

3.2 NACA441575翼型CFD数值模拟方法研究

3.2.1建立几何模型

3.2.2控制方程

3.2.3设定边界条件

3.2.4求解设定

3.2.5数值计算结果分析

第4章变工况下风力机风轮的气动性能预估

4.1已知风轮

4.2采用动量叶素理论进行风轮的气动性能预估

4.2.1叶素理论

4.2.2编程计算思想

4.2.3MATLAB编程计算框图

4.2.4 MATLAB编程计算结果

4.2.5计算结果分析及Cf、Cm和Cp随λo的变化曲线图

4.3采用葛劳渥旋涡理论进行风轮的气动性能预估

4.3.1编程计算思想

4.3.2 MATLAB编程计算框图

4.3.3 MATLAB编程计算结果

4.3.4计算结果分析及Cf、Cm和Cp随λo的变化曲线图

4.4两种计算方法的对比及本章总结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文