叶片尾缘加弯板垂直轴风力机气动特性研究

摘要

风能取之不尽，用之不竭，是清洁、无污染的可再生能源之一，已经受到全世界的广泛关注。风力发电是风能利用的主要形式，风力机是将风能转化为机械能的重要设备。垂直轴风力机可以接受任意方向的来风而不需要安装对风装置、发电机和传动链安装在地面维护方便等优点备受关注。直线翼垂直轴风力机是典型的小型风力机，在农村用电、路灯、农田水利灌溉等方面具有重要作用。但是直线翼垂直轴风力机气动性能较水平轴风力机低，还需要进一步改进。该研究设计一种安装于直线翼垂直轴风力机叶片尾缘的弯板，利用弯板改变叶片表面的压力场和涡旋的分布，提高叶片做正功的转矩，减小叶片附近的涡旋损失，从而提高风力机气动性能。以NACA系列三种薄厚叶片风力机为对照，分别在薄厚叶片尾缘加不同长度弯板研究风力机性能的变化。采用数值模拟方法，基于RNG k-ε湍流模型，分析低尖速比下弯板长度对风力机气动性能的影响，并进行风洞试验验证。因此，本文主要研究内容包括以下三个方面:
　　(1)弯板对风力机动态气动特性影响研究，通过数值模拟方法计算有无弯板风力机的输出转矩和输出功率，分析弯板长度对输出性能的影响，将得到的较优弯板结构风力机和原始风力机结构进行加工，进行风洞试验，在不同来流风速条件下，比较弯板对风力机动态气动特性改善情况。
　　(2)弯板对叶片周围流场影响研究，计算在一个旋转周期内，风力机转矩系数随旋转角的变化情况，并对典型旋转角下的流场进行分析，探讨弯板改变输出转矩特性的机理。
　　(3)弯板对风力机静态起动特性影响研究，通过数值模拟方法计算弯板对风力机在不同旋转角方位静止时起动转矩的影响，并进行风洞试验验证，同时结合流场进行分析。
　　得到的主要结论如下:
　　(1)低尖速比下在叶片尾缘加适当的弯板可以提高风力机的输出性能，弯板长度与翼型弦长比例要适当。在相同条件下弯板加在厚翼型叶片比在薄翼型叶片上风力机特性改善显著。(2)叶片尾缘加适当弯板可以提高风力机的起动性能，当旋转角在0～120°有无弯板风力机受到的起动转矩相同，但当旋转角在120～180°时有弯板风力机的起动转矩明显提升，且弯板的作用消除了反向转矩。同时弯板对厚翼型起动性能改善明显。
　　(3)对NACA0024翼型有无弯板风力机通过风洞试验得出，叶片尾缘加弯板可以提高风力机的稳定转速。当风速为10m/s时有弯板风力机转速可提高245 r/min。
　　(4)叶片尾缘加装适当弯板后可在某些旋转角下改变叶片上下表面的压力分布状态和流体流动情况，同时提高了该旋转角下的气动特性，从而改善整个风力机的性能。
　　该研究通过数值模拟和风洞试验方法对弯板的有效性进行验证，结合流场分析了弯板提升风力机性能的机理。为通过改变叶片自身结构来提高风力机性能提供一种新的方法。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 风能利用现状

1．2 风力机

1．2．1 垂直轴风力机

1．2．2 直线翼垂直轴风力机

1．3 直线冀垂直轴风力机研究现状

1．3．1 研究方法

1．3．2 气动特性改善研究

1．4 研究目的与内容

1．5 技术路线

2 叶片尾缘加弯板风力机设计

2．1 翼型几何参数

2．2 叶素理论

2．3 尾缘加弯板叶片设计

2．4 叶片尾缘加弯板的风力机模型

2．5 本章小结

3 研究方法

3．1 数值模拟方法

3．1．1 流体仿真模型的建立

3．1．2 流体基本控制方程

3．1．3 湍流模型

3．1．4 计算域与网格划分

3．1．5 边界条件设定

3．2 风洞试验方法

3．2．1 风洞试验模型

3．2．2 风洞试验设备与仪器

3．2．3 风洞试验方案

3．3 本章小结

4 叶片尾缘加弯板对风力机动态气动性能影响

4．1 弯板对风力机输出转矩影响数值计算

4．2 弯板对风力机输出功率影响数值计算

4．3 有无弯板风力机的输出转矩试验

4．4 弯板对风力机动态流场的影响

4．5 本章小结

5 叶片尾缘加弯板对风力机静态起动性能影响

5．1 弯板对风力机静态起动性影响数值计算

5．2 有无弯板风力机起动性试验

5．3 弯板对风力机静态流场影响

5．4 有无弯板风力机的转速试验

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究特色与创新

6．3 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文