柔性叶片叶轮流体动力学特性研究

摘要

近年来，能源消耗总量增长过快促使风力发电产业快速发展，国内外风电年装机容量呈大幅增长趋势。与此同时，由于风电受多种因素影响，限制了电力系统对风电的消纳能力，弃风限电现象成为比较突出的问题。因此，发展分散式小型风能利用系统，不仅可以解决风电难消纳问题，而且可以通过建立单独供电系统，解决由于地区偏远、建电网困难等因素造成的区域性无电问题。
　　本文基于仿生学，提出一种叶片由柔性材料制成的新型风力机，可根据来流风速的大小和方向自动调整叶片弯曲程度，进而改善叶片表面流场，提高风能利用率，该风力机具有结构简单，启动风速低，移动性、灵活性较强等特点。论文利用实验和数值模拟计算相结合的方法，对比柔性叶片曲率和迎角对叶片流场的影响规律，从叶片附面层流动分离对叶片气动特性影响的角度，剖析了曲率和迎角影响叶片气动特性的根本原因。
　　首先，对柔性叶片升力特性进行了实验研究和数值模拟。为便于实验测试，基于叶栅理论，将柔性叶片链轮简化为直列叶栅。建立叶片表面压力测试实验平台，利用多点同步测压技术，测试了5种曲率叶片在6种迎角时的叶片表面压力，并转化成无量纲量升力系数进行对比分析，确定了最佳曲率在0.013和0.026范围之间，最佳迎角在15°和25°之间；建立柔性叶片数值模拟计算模型，选取了最佳曲率和最佳迎角范围内的42种工况进行模拟，最终确定了叶片最佳曲率K为0.019，叶片最佳迎角为20°，并揭示了叶片曲率和迎角对升力系数的影响规律。
　　其次，对柔性叶片附面层流场进行了实验研究和数值模拟。建立了流场测试实验平台，利用粒子图像测试（PIV）技术，测试了3种曲率叶片在2种迎角时叶片表面的流场分布，并对比了叶片升力特性数值模拟中42种工况下的流场分布情况。结果表明：弯曲的叶片在迎角为20°时，吸力面附面层能够保持附着流动状态，迎角增大到30°时，吸力面附面层出现较大的逆压梯度，靠近后缘的位置发生分离现象并产生旋涡，降低了叶片的升阻比；叶片适当弯曲可以改善附面层流体流动状态，但是曲率超出某值时，会使吸力面上的逆压梯度陡增，导致附面层发生较为明显的分离，对提高叶片升力系数不利；叶片发生附面层分离产生的旋涡脱落时具有周期性和不稳定性，对流场引起较为强烈的扰动，引起叶片结构振动。
　　最后，通过实验和数值模拟计算的结论揭示了曲率和迎角对叶片升力系数的影响规律及根本原因，确定了使升力特性达到最好的最佳曲率和最佳迎角，为柔性叶片风力机的优化设计提供了理论依据。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 研究现状

1.2.1 柔性叶片和柔性翼型研究现状

1.2.2 叶片附面层分离流动控制研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 流体动力学理论及数值模拟计算基础

2.1 柔性结构流体动力学理论基础

2.1.1 柔性叶片风力机叶轮结构

2.1.2 翼剖面理论

2.1.3 附面层流动分离理论

2.1.4 尾流分离涡动力学基础

2.2 数值模拟计算理论基础

2.2.1 CFD概述

2.2.2 控制方程及湍流模型

2.2.3 数值求解方法

2.3 本章小结

第三章 柔性叶片风力机升力特性研究

3.1 引言

3.2 柔性叶片风力机升力特性实验研究

3.2.1 叶栅中叶片上下表面压力测试实验

3.2.2 实验结果

3.3 柔性叶片风力机升力特性数值模拟研究

3.3.1 柔性叶片数值模拟计算方法

3.3.2 数值模拟计算结果

3.4 本章小结

第四章 柔性叶片附面层流动分离研究

4.1 引言

4.2 柔性叶片附面层流动分离实验研究

4.2.1 柔性叶片附面层流场测试实验

4.2.2 实验结果及分析

4.3 柔性叶片附面层流动分离数值模拟研究

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

在读期间取得的科研成果