基于波瓣混合器引射特性的低速风力机设计及气动分析

摘要

国家十三五规划纲要强调应优化能源供给结构，提高能源利用率，加强对可再生绿色能源的利用。风能由于常见且环保，其开发与利用应得到更多的关注。传统的风力机，在低风速工况下工作时，其风能利用率很低。基于波瓣混合器的引射特性，本文设计了一种波瓣混合器—风轮组合结构的引射式风力机，实现了高效利用风能的目的。
　　首先，在设计风力机叶片的过程中，根据叶素-动量理论的Wilson模型，建立了目标函数与约束条件，编程求解了该问题。利用CFD方法求解所设计的风力机流场，为后续的设计提供了指导。
　　其次，推导了“拱门形”波瓣混合器各几何参数之间的数量关系，通过改变关键参数，实现波瓣混合器的全局参数化建模。借助数值方法，研究了波瓣后流向涡和正交涡的成因与发展，阐述了外涵道流体对内涵道流体的引射机理。之后考察了内外涵气流夹角对波瓣混合器涡系结构及综合性能的影响，结果表明在0°～30°范围内，内外涵气流夹角越大，出口压力不均匀度、总压损失系数越大，而引射系数越小，因而在设计中应削弱内外涵气流夹角对引射作用的不利影响。
　　最后，在上述机理研究的基础上，设计了以波瓣混合器作为风轮机匣的引射式新型风力机。考虑到内外涵气流夹角对引射特性的不利影响，对波瓣进行了扭转。数值模拟分析对比了原型风力机、未扭转波瓣式新型风力机和扭转波瓣式新型风力机3种设计方案的流场，指出由波瓣诱导产生了流向涡与正交涡、由风轮产生的叶顶螺旋涡和叶根中心涡，以及由外涵道产生的边缘涡对互相拉扯、扭转构成了复杂的涡系结构，降低了风轮出口截面的静压，增强了外涵道流体对内涵道流体的抽吸引射作用，增强了通流能力和单位质量气体的焓降，有效地增加了对3.0～6.0m/s的低品位风能的利用率。对于未扭转波瓣式新型风力机，其值为61.57％～63.70%；而对于扭转波瓣式新型风力机，其引射性能得到了进一步改善，风能利用率可以提高到64.06%～66.23%。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 风力机研究概况

1.3 波瓣喷管引射混合器研究概况

1.4 本文的主要研究内容

第2章 基本设计理论及数值计算方法

2.1 引言

2.2 风力机空气动力学基本理论

2.3 流体动力学控制方程

2.4 湍流数值模拟方法

2.5 叶片绕流的湍流模型验证

2.6 波瓣混合器的湍流模型验证

2.7 本章小结

第3章 风力机叶片设计及气动特性数值研究

3.1 引言

3.2 基于Wilson模型的优化设计

3.3 数值求解方案的确定

3.4 气动特性分析

3.5 本章小结

第4章 波瓣混合器设计及气动特性数值研究

4.1 引言

4.2波瓣混合器的设计及数值求解方案

4.3 轴向进气工况下流向涡与正交涡的成因与发展

4.4 内外涵气流夹角对流场涡动力学特性的影响

4.5 内外涵气流夹角对波瓣混合器综合性能的影响

4.6 本章小结

第5章 波瓣混合器—风轮组合式新型风力机性能评估

5.1 引言

5.2 几何模型设计及模拟方案的确定

5.3 设计工况下三种风力机气动特性对比

5.4 变工况下风力机整体性能分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢