基于CFD方法的竖轴叶轮性能模拟及翼型优化

摘要

竖轴叶轮是风力发电机组或海(潮)流发电机组的关键设备。它的主要特点是风或水流的方向垂直于叶轮的主轴和叶片，叶轮的旋转不受来流方向的影响，叶片结构简单，易于实现变角度控制，所以近年来在风能和潮流能发电技术领域重新受到人们的关注。叶片是叶轮流体机械中最重要的部件，叶片的流体动力特性取决于剖面翼型的流体动力特性。因此，通过对竖轴叶轮性能模拟及翼型优化来实现提高叶轮流体动力机械性能是一项重要的课题。
　　 本文基于CFD方法与遗传算法优化模型，开展竖轴叶轮翼型设计方法及整机性能的计算研究，为竖轴叶轮的设计奠定基础。
　　 在竖轴叶轮翼型设计方法研究方面，首先对翼型定常绕流和竖轴叶轮整机非定常绕流进行数值模拟，得到叶轮能量利用率随翼型几何参数变化的规律。其次，依据上述规律，利用遗传算法优化模型对翼型进行优化设计。结果表明，与原始翼型相比，优化翼型使竖轴叶轮能量利用率在设计速比范围内有很大提高。
　　 在竖轴叶轮壁面干扰研究方面，进行了竖轴叶轮实验模型整机绕流和壁面干扰数值模拟，对在自由流中模型的绕流和在水槽中模型的绕流做了对比分析，并对该模型水槽实验的壁面干扰进行了评估和修正。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的意义和目的

1.2风力机的分类

1.3课题的研究现状

1.3.1翼型设计研究

1.3.2壁面干扰研究

1.4本文的工作内容

第2章竖轴叶轮数值模拟

2.1二维机翼定常绕流模拟

2.1.1 Fluent软件简介

2.1.2计算域网格划分与求解参数设置

2.1.3基于Journal File技术的自动模拟

2.1.4算例验证

2.2竖轴风力机模拟

2.2.1叶片的运动规律与受力分析

2.2.2网格技术

2.2.3用户自定义函数

2.2.4数值模拟流程

2.2.5计算域网格划分与求解参数设置

2.2.6风力机性能参数验证

2.3本章小结

第3章竖轴叶轮翼型设计

3.1翼型设计方法概述

3.1.1反设计方法

3.1.2数值优化设计方法

3.2基于遗传算法的翼型优化

3.2.1遗传优化算法概述

3.2.2遗传算法的基本原理

3.2.3叶轮能量利用率的影响因素

3.2.4翼型构形方法

3.3.5适应度函数

3.3翼型设计结果

3.4本章小结

第4章竖轴叶轮壁面干扰

4.1壁面干扰修正方法

4.1.1映像法

4.1.2有限基本解法

4.1.3壁压信息法

4.1.4数值模拟法

4.2竖轴水轮机模拟

4.2.1水槽试验模拟

4.2.2自由流模拟

4.3壁面干扰评估与修正

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢