水平轴风力机翼型的空气动力学性能研究

摘要

风能作为可再生能源，不仅清洁无污染，并且是可再生能源发电形式中，技术最成熟且最具规模开发条件的发电方式之一，已受到世界各国的高度重视。目前广泛采用的气动性能研究方法是基于传统的动量．叶素理论和二维翼型的风洞实验数据，但实际的风力机是三维及旋转的，故采用该方法低估了实际风轮的动力产生。随着现代计算机应用技术的发展和三维湍流模拟技术的提高，CFD方法在风力机空气动力特性研究中的作用越来越明显。
　　 本文首先对传统水平轴风力机中使用较多的NACA63-215翼型进行数值模拟，对其在0°～30°攻角范围内进行了数值计算，分析其气动特性，并与NREL系列的S832翼型进行了对比，得出传统翼型和专用翼型在相同厚度时气动性能方面的差距。
　　 再对风力机专用翼型S832分别添加了不同高度的Gumey襟翼，并且针对对翼型气动性能提高最有效的Gurney襟翼，改变其襟翼偏转角，分析不同偏转角襟翼对翼型气动性能的影响。数值计算结果表明：在风力机翼型上添加襟翼，能够有效提高翼型升力系数，升阻力系数和升阻比与襟翼的有效高度有关。
　　 最后，利用NACA63-215翼型对风力机风轮进行建模，对不同工况下风轮流场进行了数值模拟，计算出不同风速下风力机的功率和效率；并对不同工况下风轮叶片的压力和速度分布进行了分析，探讨了三维旋转效应对流动特性的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 风力机的种类及特征

1．2．1 水平轴风力机

1．2．2 垂直轴风力机

1．3 风力机气动性能研究发展现状

1．4 本文研究目的和内容

2 风力机的基本理论

2．1 风力机的特性系数

2．2 风力机的能量转换过程

2．2．1 Betz理论

2．2．2 涡流理论

2．2．3 叶素理论

2．2．4 动量理论

2．3 叶片所受的力

2．4 传统风力机翼型

2．4．1 NACA系列翼型

2．4．2 NACA翼型在风力机上的应用

2．5 风力机专用翼型

2．5．1 NRELS系列翼型

2．5．2 RIS中_A系列翼型

2．5．3 FFA-W系列翼型

2．5．4 Du系列翼型

2．6 本章小结

3 流动的数值模拟方法

3．1 流动控制方程

3．2 湍流模型

3．2．1 湍流数值模拟方法

3．2．2 各种湍流数值模拟方法比较

3．3 有限体积法

3．3．1 通用变量方程

3．3．2 有限体积法的基本思想

3．3．3 有限体积法的特点

3．4 本章小结

4 翼型气动性能数值计算

4．1 传统翼型流场的数值模拟

4．1．1 翼型数值计算条件和网格划分

4．1．2 翼型数值模拟边界条件

4．1．3 求解器的设置

4．2 传统翼型气动特性数值模拟结果

4．2．1 翼型升阻力系数和升阻比

4．2．2 翼型上下翼面压力系数曲线

4．2．3 翼型速度云图和流场流线图

4．3 风力机专用翼型数值模拟结果

4．3．1 S832翼型升阻力系数和升阻比

4．3．2 S832翼型压力系数分布

4．3．3 翼型流场流线图和速度云图

4．4 添加襟翼对翼型气动性能影响探讨

4．4．1 对翼型添加Gurney襟翼气动性能探讨

4．4．2 不同偏转角对翼型气动性能影响探讨

4．5 本章小结

5 水平轴风力机气动特性数值模拟

5．1 叶片的设计

5．1．1 风轮直径的确定

5．1．2 风轮叶尖速比的确定

5．1．3 叶片设计基本参数

5．2 叶片物理模型的创建

5．2．1 几何模型的创建

5．2．2 计算域网格划分

5．3 求解模型的选择及参数设置

5．4 数值计算结果分析

5．4．1 叶片正背面压力分布

5．4．2 叶片速度矢量图

5．4．3 叶片不同叶展处压力分布

5．5 风速对风轮气动性能的影响

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献