离网小型风力机气动性能分析及结构优化

摘要

垂直轴阻力型风力机具有结构上的优势因而被研究者们关注，但是对于阻力型风力机的研究，大多集中于具有两叶片、单层排列的S型或相似结构的风力机，而对于具有多叶片、多层排列的复杂风力机风轮结构鲜有研究。因此，本文的研究基于实验室自主设计的一台具有内、外两层叶片的阻力型风力机，结合数值模拟和正交试验优化设计方法，研究风轮结构参数变化对风力机性能的影响，主要完成以下几个方面的工作：　　利用ANSYS-FLUENT分析软件，对不同风速、叶尖速比下风轮在不同位置处的流场分布、风轮扭矩随转角变化以及功率系数随叶尖速比变化规律进行研究。同时，从气流速度、气流压力以及涡流分布三个方面研究气流对内叶片凹、凸面上压力系数以及风轮功率系数的影响规律。分析发现：风轮的扭矩每隔120?完成一个周期变化，与风轮内部流场的变化周期一致；风轮的功率系数在尖速比为0.8左右时最大；风速和尖速比对涡流分布及涡流量影响较大，而内叶片凹、凸面上压力系数的变化跟涡流量及涡流位置又密切相关。　　在来流风速为V?10 m s，叶尖速比为?=0.8的情况下，对不同的风轮结构进行气动性能分析，确定正交试验因素水平的范围，利用正交试验优化设计方法，对风轮进行结构优化。对优化后的结构进行分析，结果表明：风轮的功率系数有一定的提高，最高达到了0.182。　　对优化后的风轮结构建模并在不同风速下进行流-固耦合分析，同时考虑惯性载荷的影响，得到风轮在不同风速下运行时的应力分布及位移变形情况。在此基础上，对风轮结构进行了有预应力、无预应力的模态分析以及谐响应分析，通过以上的分析发现：风轮叶片上的最大应力值为119.72MPa，远小于叶片材料的许用拉伸强度；风轮的固有频率随着风速的增加而变大，但是风轮的1阶临界转速远大于其工作转速；风轮叶片的应力及变形频响曲线的峰值出现在风轮的一阶和五阶固有频率处，但数值不大；分析表明优化后的风轮结构稳定，具有很好的承载能力。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

§1.1 论文研究背景

§1.2 课题来源

§1.3 垂直轴风力机的分类

§1.4 垂直轴风力机研究现状

§1.5 本文的研究内容

第二章 垂直轴风力机气动理论及CFD基础

§2.1风力机理论

§2.2 CFD基础理论

§2.3本章小结

第三章 风轮数值模拟方法研究及气动特性分析

§3.1 建立风轮的CFD模型

§3.2 数值模拟分析过程

§3.3计算结果分析

§3.4 风轮气动性能影响因素研究

§3.5 本章小结

第四章 风轮功率系数影响因素分析及多结构参数优化

§4.1基于多结构参数的正交试验设计

§4.2方案组合及仿真结果

§4. 3试验结果分析

§4.4风轮结构优化前后对比

§4.5本章小结

第五章 基于流-固耦合的优化的风轮结构力学特性分析

§5.1 流-固耦合分析理论

§5.2 风轮流-固耦合分析模型

§5.3 流-固耦合作用下风轮结构静力学分析

§5.4 流-固耦合作用下风轮结构频率响应特性分析

§5.5 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 全文总结

§6.2 展 望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果