风力机翼型绕流场数值模拟及气动性能参数优化

摘要

风力发电机是近年来受到广泛关注的新能源设备，其重要组成部分风力机及其翼型，直接影响着风力发电机的性能，研究开发具有高升力系数、高升阻比和良好失速性能的翼型，一直以来是风力机领域研究的热门课题。 本文采用有限体积法以及基于压力修正的SIMPLE方法和k-ω为基础的SST湍流模型，在大范围攻角下对三种典型风力机翼型一传统翼型NACA0015、专用翼型FFA-W3-211和FFA-W3-360的绕流场进行了数值模拟和气动性能分析，并针对FFA-W3-211翼型最大升力系数和临界失速攻角下的升阻比不够高的问题进行了气动性能优化。主要研究内容和结论如下： 研究了风力机翼型的国内外现状和流场数值模拟关键技术现状，阐述了翼型的现代设计方法。 对翼型绕流场计算网格划分、湍流模型的选择和数值求解方法等CFD问题进行了系统研究。采用C型分区和贴体坐标变换法生成了质量较好的结构化网格，建立了对翼型绕流场流动分离预报更准确的SSTk-ω湍流模型，求解方法采用了适合低速问题SIMPLE方法，其中扩散项采用了二阶中心差分格式，对流项采用了QUICK格式，有效控制了数值耗散。 基于以上工作，本文采用著名商用CFD软件FLUENT对传统风力机翼型NACA0015和专用翼型FFA-W3-211和FFA-W3-360等三种典型风力机翼型的绕流场进行了数值模拟和气动性能分析。通过分析发现了翼型FFA-W3-211在临界失速攻角下升力系数和升阻比不够高的问题。本文着重对翼型绕流场进行了全面和深入的分析和研究，研究发现单分离涡和双分离涡对翼型升力系数和升阻比变化的影响存在差异，从而提出了基于控制分离涡数量的改善翼型气动性能的途径；同时对翼型几何参数对气动性能的影响进行了分析。 针对专用翼型FFA-W3-211在临界失速攻角下升力系数和升阻比不够高的问题，以提高FFA-W3-211翼型临界失速攻角下的升力系数和升阻比为优化目标，对建立的多目标优化模型采用统一目标函数法进行处理，利用复合形法搜索最优翼型，达到了预定设计目标，结果表明在现有翼型基础上进行改进是可行和有效的。本文翼型绕流场数值模拟方法具有通用性，对绕流场状况进行了全面和深入的分析和研究，并对现有翼型进行了气动性能数值优化探索。这些工作对于我国风力机翼型的设计和研究具有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章翼型绕流场网格划分、计算模型建立与求解

第三章典型风力机翼型的气动性能分析及研究

第四章FFA-W3-211翼型气动性能参数优化

第五章结论与展望

参考文献

附录

致谢

作者在攻读硕士学位期间从事科研及发表论文情况