风力机叶片几何设计与空气动力学仿真

摘要

面对日益增长的能源需求和环保方面的压力，世界各国都在加大新能源的开发力度。风能是可再生能源中最具代表性的一种，它对保护环境、维持生态平衡、减少对常规能源依赖和改善能源结构都有重要意义。水平轴风力机是风能利用最主要的形式，其关键部件又是叶片。自风力机被广泛使用以来，叶片的外形设计和气动特性就一直受到人们的关注。叶片的外形决定风轮的转换效率，因而叶片外形设计在风力机设计中占有举足轻重的地位。由于涉及到技术保密，国外知名叶片生产商都不对外公开其设计方法；同时考虑到我国目前对风轮气动性能的研究尚少。因此很有必要研究风力机叶片的设计技术，这些工作对于我国风电产业的发展，掌握自主知识产权的叶片设计技术具有积极意义。 本文重点研究1.5MW风力机的叶片设计和空气动力学性能，所开展的主要工作包括： 首先，研究了风力机叶片设计的四个基本理论和Wilson方法，以动量理论、叶素理论等基本理论为基础，结合Wilson优化设计方法推导出风力机叶片优化设计的数学模型，并以MATLAB语言为工具编写叶片设计的计算程序；为便于叶片加工制造，又对叶片扭角和弦长进行线性化修正，输出各参数的计算结果。 其次，结合坐标变换原理，运用MATLAB的矩阵运算功能，对叶片翼型上各离散点数据进行处理，得到各离散点空间坐标。基于UG的自由曲面造型功能，采用三次B样条拟合方式绘制叶片各截面的空间样条曲线，建立风力机叶片的实体三维模型，并且在专门的网格划分软件Gambit中对风轮三维流场模型进行网格划分和边界条件设置。 最后，利用CFD软件FLUENT，采用分离隐式求解器，湍流模型选择SSTκ-ω模型，离散方式为二阶迎风格式，压力—速度耦合采用SIMPLEC算法对额定风速下的风轮流场进行数值模拟。绘制叶片流场的速度矢量、湍流强度和叶片表面的静态压强图，对其进行分析，指出叶片流场的运动规律、流动细节情况，为进一步改善叶片流场做准备：最后得出风轮的受力和转矩，计算出实际功率和风能利用率，为后续设计主轴、齿轮箱等部件提供理论参数。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题背景及意义

1.2风力机的种类及特征

1.3风力机叶片及其气动性能研究现状

1.4本课题研究的内容

2风力机叶片设计的基本原理

2.1翼型基本知识

2.2风力机叶片设计的基本理论

2.3变桨距风力机叶片调节原理

2.4本章小结

3变桨距风力机叶片的设计计算

3.1风轮设计参数的选定

3.2风力机叶片的气动外形设计方案

3.3叶片优化设计的MATLAB程序编制

3.4叶片各截面空间实际坐标的求解

3.5设计计算结果的输出

3.6本章小结

4风力机叶片造型及网格划分

4.1风力机叶片的三维建模

4.2网格划分

4.3本章小结

5风轮空气动力学的CFD模拟及分析

5.1计算流体力学(CFD)简介

5.2风轮特性及CFD计算模拟的过程

5.3 叶轮流场的计算步骤及相关设置

5.4数值模拟结果及分析

5.5本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢