水平轴马格努斯风力机叶片的气动性能研究

摘要

风能是一种非常有潜力的清洁的可再生能源,对其利用的规模也越来越大。水平轴翼型叶片风力机是最常用的风能转换设备,其风能利用率高,但翼型叶片形状复杂,加工成本高。因此一种基于马格努斯效应的马格努斯风力机得以受到人们的关注,该类型风机的圆柱叶片形状简单,加工成本低,而且具有更大的升力系数,可以通过减小叶片弦长减轻风力机的重力载荷,但由于其升阻比低导致风力机的风能利用率低。为了提高马格努斯风力机的风能利用率,本文研究了改进圆柱叶片气动性能的方法并提出了一种组合叶片,能够有效提高马格努斯风力机叶片的升阻比,提高马格努斯风力机的风能利用率。
　　本文首先研究了旋转运动减小绕流圆柱阻力的原因,在此基础上探讨了减小绕流旋转圆柱阻力的方法;分析了翼型头和尾翼对叶片气动性能的影响,确定了组合叶片的结构方案;制定了尾翼的具体尺寸对组合叶片气动性能影响的正交试验方案,最终确定了尾翼的最优尺寸。根据得到的最优组合叶片形状,利用Fluent软件详细计算了周速比、雷诺数、风速、直径和攻角的变化对组合叶片气动性能的影响,得到了适合组合叶片截面的风力机叶片的设计方法。为了验证仿真结果的真实性,设计了组合叶片机械结构并进行了风洞实验,实验结果表明仿真结果与实验结果具有相同的变化趋势。
　　综上所述,本文基于马格努斯效应提出了一种组合叶片,并通过仿真和实验分析了其气动性能。结果表明,组合叶片能够保持形状简单和高升力系数等优势,同时具有较高的升阻比,能够较大程度地提高马格努斯风力机的风能利用率,因此本论文的研究具有十分重要的理论价值和实际应用价值。

目录

水平轴马格努斯风力机叶片的气动性能研究

Research on Aerodynamic Performance of Horizontal Axis Magnus Wind Turbine Blades

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 水平轴翼型叶片风力机的发展现状

1.3 风力机叶片翼型的研究现状

1.3.1 NACA风力机翼型

1.3.2 风力机专用翼型

1.4 水平轴马格努斯风力机的研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 风力机叶片的基本理论及仿真环境的建立

2.1 翼型叶片的空气动力特性

2.2 马格努斯圆柱叶片的空气动力特性

2.3 圆柱叶片与翼型叶片的气动性能比较

2.3.1 圆柱叶片与翼型叶片的气动性能随攻角的变化

2.3.2 圆柱叶片和翼型叶片的气动性能随雷诺数的变化

2.3.3 圆柱叶片的气动性能随周速比的变化

2.3.4 圆柱叶片的气动性能随表面线速度和风速的变化

2.4 仿真环境的建立

2.5 本章小结

第3章 马格努斯风力机叶片气动性能的改进方法研究

3.1 绕流圆柱的阻力分析

3.1.1 绕流圆柱的流场分析

3.1.2 绕流旋转圆柱阻力降低的机理研究

3.2 翼型头对旋转圆柱流场影响的研究

3.3 尾翼对旋转圆柱流场的影响研究

3.3.1 覆盖尾涡对流场影响的研究

3.3.2 阻断尾翼下侧漩涡对流场影响的研究

3.3.3 圆柱下侧漩涡的尺寸对流场影响的研究

3.3.4 改变尾翼上切入点角度对流场影响的研究

3.3.5 改变尾翼上侧直线斜率对流场影响的研究

3.3.6 改变尾翼下侧直线斜率对流场影响的研究

3.4 翼型头和尾翼对流场综合影响的研究

3.5 间隙对流场影响的研究

3.6 马格努斯组合叶片几何参数的优化

3.5 本章小结

第4章 马格努斯组合叶片气动性能的影响因素研究

4.1 周速比对组合叶片气动性能影响的研究

4.2 雷诺数对组合叶片气动性能影响的研究

4.3 风速对组合叶片气动性能影响的研究

4.4 圆柱直径对组合叶片气动性能影响的研究

4.5 攻角对组合叶片气动性能影响的研究

4.6 本章小结

第5章 马格努斯组合叶片气动性能的实验研究

5.1 实验装置的设计

5.1.1 组合叶片的结构设计

5.1.2 测力仪

5.1.3 实验装置的强度校核

5.1.4 圆筒的动平衡试验

5.2 实验系统的组成

5.3 实验数据分析

5.3.1 仿真结果与实验结果的对比

5.3.2 实验结果误差分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及其他成果

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哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢