垂直轴风力机叶片脊状结构减阻气动特性的数值研究

摘要

近年来，随着国家对清洁能源的大力提倡，风电产业蓬勃兴起。垂直轴风力机以其独特的优势在中小型风能领域受到国内外的广泛关注。叶片是风力机结构组成中的核心部件，其良好的气动性能是提高风能利用效率的根本保证。其中，翼型的优化是提升叶片气动性能的核心要素。由于翼型附近边界层内的流动特性决定了整体翼型的气动特性，因此本文主要以近壁面区域为中心展开讨论。本文针对升力型垂直轴风力发电机常见翼型NACA0012进行研究，根据仿生学原理，将V型脊状表面布置于翼型表面，通过数值模拟的方法对比改型前后翼型的气动性能，得出最佳优化方案，探究其减阻机理。 本文主要在以下几个方面进行探究：(1)为确保计算速度与质量，对翼型网格进行无关性验证；选取合适的湍流模型，并对计算模型进行实验对比验证；设定流场条件，对光滑翼型NACA0012进行数值模拟计算，分析该翼型壁面附近的气动特性；结合垂直轴风力机叶片工作原理，最终确定本课题的基本研究工况。(2)将脊状表面布置于翼型中部位置、前缘位置，进行多组工况的二维数值模拟。通过分析所设定的脊状结构尺寸在影响气动性能的主要参数(风速、攻角)的变化下得出的升阻变化趋势，对比得出主要影响参数、最佳布置位置以及最佳脊状结构尺寸。(3)根据升阻变化剖析脊状表面的气动特性与流动机理。观察不同脊状结构开口尺寸及开口间距沟谷附近二次流对壁面剪切应力的影响，以及壁面附近的速度分布。进一步探究凹槽内涡量分布、湍动能分布等变化趋势，并与光滑翼型对比，分析总阻力出现的波动趋势，验证脊状结构对整个翼型气动特性的影响。 通过计算分析，本文的到如下结论：(1)经对比分析，在翼型中部布置适当尺寸的脊状结构能够得到很好的减阻效果。翼型总阻力为压差阻力和摩擦阻力共同作用的结果，开口尺寸s越大，两者同时增大；开口间距a不能直接决定两者的作用效果，只有在开口尺寸s与开口间距a相互匹配时，减阻效果最为明显，最大减阻率可达35%左右。其中s-a分别为0.5-0 mm、0.5-0.5 mm、1.5-1.5 mm、1.5-2.5 mm、1.5-3.5 mm五组脊状结构尺寸优化效果较好，可提高升阻比，改善翼型气动性能。(2)在翼型前缘布置脊状结构对翼型气动性能并无改善。翼型前缘是接受来流风速的关键部位，会对整个翼型壁面的边界层产生影响。当开口尺寸s=0.5 mm、a≤1.5 mm时，升阻比变化不大；当尺寸进一步增大，升阻比急剧降低。前缘粗糙度的不确定性会导致翼型表面附近流场扰动加剧，迫使气动性能恶化。因此，将前缘位置受损程度控制在一定范围内是保证翼型具有良好气动性能的关键。本文研究结果可为工程实际中风力机叶片翼型表面的优化改型及性能改善提供参考依据。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容和方法

1.4 创新之处

第2章 数值计算方法及工况筛选

2.1 数值计算方法介绍

2.2 边界条件与计算模型验证

2.3 脊状表面的建模与网格的划分

2.4 攻角选定的依据

2.5 本章小结

第3章 翼型吸力面中部V型脊状结构减阻特性的数值研究

3.1 翼型表面脊状结构减阻结果分析

3.2 翼型表面脊状结构减阻增升原因分析

3.3 脊状表面涡量分布

3.4 翼型表面湍流参数分布

3.5 本章小结

第4章 脊状结构对翼型前缘气动特性影响的数值模拟

4.1 几种典型脊状尺寸气动特性比较

4.2 翼型前缘表面边界层气动特性分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

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