低风速风力机弯掠叶片优化及CFD分析

摘要

本文基于仿生原理，采用弯掠叶片技术设计低风速风力机叶片，利用Isight集成三维建模软件、流体仿真软件等，以直叶片为基础进行设计优化，获得低风速下最佳的弯掠外形。本文所使用的直叶片来自于中丹海上风电合作项目的海上风力机叶片，翼型为丹麦某大学开发的专用风力机翼型。以下是本文所做的主要工作:
　　1.深入研究风力机叶片设计理论及风力机叶片设计优化方法。
　　2.采用Isight优化平台集成三维建模软件、网格划分软件和流体仿真计算软件，在保证叶轮扫掠面积恒定的前提下对弯掠叶片的外形进行设计优化。首先使用自编的程序将叶片模型参数化，在每次的优化过程中Isight可以调用程序修改模型数据，并且确保能够进行三维建模，再通过ANSYS ICEM-CFD网格划分软件实现网格自动划分，最后使用Fluent里的jou脚本文件实现边界条件自动设置和数值计算。Isight的功能在于集成调用所有软件，修改优化变量，设置优化目标和约束条件。这样就可以实现风力机叶片全三维仿真优化的过程。
　　3.对直叶片和弯掠叶片轴向入流工况的数值计算结果进行分析。从叶片的外特性（输出转矩、风能利用系数、受到的推力）、攻角变化、截面压力系数分布三个角度进行对比分析。分析结果表明，弯掠叶片的气动性能比直叶片更加出色。低风速工况弯掠叶片能够明显提升叶片的输出功率，提高风能利用系数。同时，弯掠叶片还能减小轴向推力，使风力机叶片受到的推力峰值明显降低，对叶片结构设计有一定的好处。
　　4.对直叶片和弯掠叶片的偏航工况数值计算结果进行分析。弯掠外形能够降低风力机叶片受到的轴向载荷和切向载荷，减小叶片表面受到的载荷峰值。与直叶片相比，偏航工况弯掠叶片受到的载荷随方位角的变化波动幅度更小，弯掠叶片风力机在运行时更加稳定。

目录

摘要

符号

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 我国低风速风资源

1．2．1 我国风能资源分布

1．2．2 低风速风区风资源特点

1．3 低风速风力机技术简介

1．3．1 风力机小型化

1．3．2 提高叶片的刚度

1．3．3 弯掠叶片技术

1．4 本文研究内容

1．4．1 风力机弯掠叶片的优化设计

1．4．2 拟解决的主要问题

1．5 本章小结

第二章 风力机气动基础和CFD基础

2．1 经典动量叶素理论

2．1．1 动量叶素法推导

2．1．2 普朗特叶尖损失修正

2．1．3 葛劳渥特修正

2．2 风力机偏航空气动力学基础

2．2．1 风力机稳定偏航动量定理

2．2．2 风力机稳定偏航叶素理论

2．2．3 风力机稳定偏航动量叶素定理

2．2．4 风力机稳定偏航叶片受力

2．2．5 风力机稳定偏航倾斜和偏航力矩

2．4 剪切压力传输(SST)k-ω模型

2．5 本章小结

第三章 风力机弯掠叶片的优化设计

3．1 确定叶片弯掠方式

3．1．1 拉格朗日插值法

3．1．2 确定弯掠曲线方程

3．2 参数化建模及网格自动划分

3．2．2 ICEM-CFD的二次开发

3．3 Fluent journal文件的使用

3．4 基于Isight软件的弯掠叶片优化流程

3．5 优化算法介绍

3．6 优化方案具体实例

3．6．1 优化实例

3．6．2 不同来流风速优化结果对比

3．6．3 对优化结果初步计算分析

3．7 本章小结

第四章 弯掠叶片轴向入流工况数值分析

4．1 叶片外特性对比分析

4．2 攻角对比分析

4．3 压力系数对比分析

4．4 叶片表面流线对比分析

4．5 本章小结

第五章 弯掠叶片偏航工况数值分析

5．1 压力系数对比

5．2 轴向载荷分布和切向载荷分布对比

5．3 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间参加的科研项目及完成的学术论文

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