平板对称翼小型风力机流固耦合仿真分析及试验研究

摘要

石化能源的大规模使用，对环境影响，人类健康和可持续发展造成了严重威胁，开发和利用绿色新能源已成为世界各国科学界和工业界广泛关注和研究的热点。风力发电作为一种取之不尽，用之不竭的绿色新能源备受关注。近年来，风力发电技术得到了快速应用。其中，风轮叶片作为风力机的核心关键部件对风力机的发电效率和稳定性至关重要。本文以空气动力学为基础，运用流固耦合分析方法，对风力机风轮进行结构特点和气动特性分析研究。
　　分析了国内外风力发电研究现状、研究背景以及存在的问题，针对小型风力机的特点，设计了一种平板对称翼翼型结构风轮叶片，对该翼型叶片气动特性进行理论分析，确定了风轮叶片的最优安装角，计算并获得了主要结构设计参数。
　　建立了风轮三维实体模型和流固耦合有限元分析模型，采用Ansys有限元分析软件，对不同来流风速和转速下风轮结构的变形，压力载荷分布，应力、应变分布以及在不同预应力作用下的振动特性进行了仿真分析。获得了风轮的变形、压力载荷、应力、应变分布以及得出了风压和转速对风轮振动特性的影响规律。
　　分析研究了风轮的气动特性，对不同来流风速和旋转速度下的风轮的输出功率进行模拟计算，获得了不同来流风速和转速对风轮输出功率的影响规律。建立风轮性能实验平台，对不同来流风速和转速情况下对风轮的输出功率进行试验测试，获得了来流风速和转速与输出功率的关系，并对试验与仿真结果对比分析，结果表明二者具有很好的一致性，验证了分析和仿真模型的正确有效性。为风力机的流固耦合分析和气动特性仿真研究提供了一种有效方法。