基于CFD数值模拟的垂直轴风力机气动设计

摘要

随着社会的发展，现今对能源的需求在不断增加，由于对环境污染的担忧，开发和利用新能源,特别是可再生能源，已成为当今世界各国的紧迫任务。风能作为一种可以规模化使用的可再生能源已经受到广泛的重视。
　　风能主要由风力机来进行采集发电。风力机分为水平轴风力机(HAWT)和垂直轴风力机(VAWT)，水平轴风力机由于技术较为成熟而被广泛应用。随着研究实践的深入，垂直轴风力机也因其众多的优点而被重视，开发性能优良的垂直轴风力机也被很多风力机厂商提上日程。而风力机的核心部件-叶片占到了风机制造成本的1/3，其空气动力学性能也直接影响到了风机整机的风能转化效率。正是基于此，本文旨在利用CFD数值模拟方法对垂直轴风力机展开气动设计。
　　本文归纳了垂直轴风力机的不同发展历程，介绍了计算流体动力学方法（CFD方法）在垂直轴风力机叶片设计中的应用，总结了影响风机空气动力学性能的主要因素，即叶片翼型、尖速比、密实度、叶轮形状等。同时，归纳了CFD软件（FLUENT）的数学理论基础以及 CFD数值模拟的求解过程。采用CFD方法对翼型进行数值模拟计算，得出了性能较为优越的翼型。使用该翼型对风力机叶片进行二维建模，并采用CFD方法对二维模型进行数值模拟。比较不同参数下风力机的风能转化系数和不同参数下的流场分布，得出了不同参数下风轮的风能转化系数分布规律以及流场变化规律。利用二维数值模拟的结论设计出额定功率为100kW的垂直轴风力机叶片，并对其做三维CFD数值模拟，对风力机的功率进行校核。
　　论文的研究成果有着很好的工程应用价值，并对垂直轴风力机的气动设计有着重要的指导意义。

目录

基于CFD数值模拟的垂直轴风力机气动设计

VAWT PNEUMATIC DESIGNBASED ON CFD NUMERICAL SIMULATION

摘要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 垂直轴风力机类型

1.3 CFD数值模拟方法在垂直轴风力机气动设计中的应用

1.4 本文主要工作内容

第2章 VAWT空气动力学分析和CFD理论基础

2.1 风力机空气动力学

2.2 CFD理论基础

2.3 本章小结

第3章 翼型及其绕流场数值模拟

3.1 翼型及其空气动力学性能分析

3.2 翼型空气动力学性能的数值模拟

3.3 本章小结

第4章 二维CFD数值模拟

4.1 叶片的二维CFD数值模拟

4.2 不同参数下的计算结果分析

第5章 垂直轴风力机叶片气动设计

5.1 垂直轴风力机叶片气动设计

5.2 风力机叶片流场的三维CFD数值模拟

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢