分离式尾缘襟翼风力机叶片气动性能分析及优化研究

摘要

随着工业现代化的发展，作为可再生能源发电技术最为成熟、最具有开发潜力的风力发电技术，在世界各地得到了长足的发展，风力发电成本逐年降低，然而风力发电的成本依然是阻碍风电产业发展的重要因素之一。为了提高风力机的捕风效率，进而降低风力发电成本，有必要对风力机组进行优化设计。风力机叶片是风力机中最重要的关键部件之一，风力机叶片性能的好坏决定着风力机的捕风能力及运行寿命。目前国内外学者对风力机叶片优化方法进行了广泛研究，现有叶片优化方法已经趋于成熟，如单纯对风力机叶片的翼型参数优化对于风力机的捕风能力提高效果已经不明显，有必要采用新的翼型结构来提高风力机的捕风能力。在众多的结构改造方法之中，风力机尾缘添加分离式尾缘襟翼效果最为明显，该方法不但可以改善风力机的气动性能，提高其捕风能力，还可对风力机的功率及载荷进行适当的调节和控制，能有效的提高低风速时的捕风能力并降低高风速时风力机的载荷，在风频变化较快时还可以起到辅助变桨作用，在提高风力机年发电量的同时，降低了风力机的运行维护成本并延长了风力机的使用寿命。因此，对于带分离式尾缘襟翼的风力机翼型气动性能分析及优化研究具有重要的意义。
　　本文在认真研读国内外相关研究文献资料的基础上，以水平轴风力机叶片作为研究对象，对带分离式尾缘襟翼的二维风力机翼型及带分离式尾缘襟翼的三维风力机叶片气动性能及优化方法进行了深入系统的研究，主要研究工作包括:
　　(1)风力机空气动力计算及优化设计理论。深入研究并推导了改进的BEM理论、三维旋转效应模型及各种修正模型，研究了复合材料欧拉梁理论并在此基础上建立了欧拉梁理论与改进的BEM理论耦合模型;研究了计算流体力学中的SST k-ω模型。
　　(2)二维带分离式尾缘襟翼风力机翼型气动性能分析。以翼型S809为研究对象，建立了翼型S809分离式尾缘襟翼系列模型，采用SST k-ω模型对添加尾缘襟翼的风力机翼型气动性能进行数值计算及对比分析，比较了不同的襟翼长度、不同襟翼偏转角度以及不同襟翼缝隙大小对风力机翼型气动性能的影响。初步确定了襟翼长度、襟翼偏转角度、襟翼缝隙大小对风力机二维翼型气动性能的影响规律。
　　(3)基于支持向量机数据挖掘技术的襟翼参数优化研究。基于以上带襟翼风力机翼型气动性能数据，采用支持向量机数据挖掘技术建立襟翼参数与翼型气动性能之间的函数关系，将离散的气动性能数值计算数据转化为连续数值。分别建立翼型升阻力系数与襟翼偏转角度、襟翼长度、攻角之间的函数关系，并建立以升力系数和升阻比加权平均值最大的襟翼参数优化目标函数，采用群智能优化算法中的粒子群优化方法对翼型襟翼参数进行优化，得到翼型气动性能最优的襟翼参数及其对应的翼型气动性能，为三维带襟翼风力机叶片的优化设计奠定了基础。
　　(4)三维带襟翼风力机气动性能分析。基于前一章确定的翼型最优襟翼参数，建立PhaseⅥ带襟翼的几何模型，采用CFD方法对其进行气动性能计算，同时采用改进的BEM理论对其进行气动性能计算并比较，结果表明CFD方法及改进的BEM理论均可对带襟翼的风力机进行气动性能计算分析，与实验值具有相同的变化趋势，误差也在允许范围内。采用CFD优点可以更进一步研究流场的细节，而改进的BEM理论可以迅速计算出风力机气动性能，占用的计算资源较少。带襟翼风力机叶片与不带襟翼风力机叶片比较可看出带襟翼的风力机捕风能力明显增强，尤其是低风速情况下，风力机的启动风速也由之前的5m/s降为3m/s，使风力机适用风速范围更宽，从而提高年发电量。
　　(5)带襟翼的风力机叶片设计及优化研究。研究了风力机叶片的常用设计方法，采用改进的BEM理论方法对600kW定速定桨型风力机进行设计并与原风力机叶片进行比较，证明了设计方法的合理性及可靠性，在此基础上建立了年发电量最大和度电成本最低组合优化模型，采用量子行为的粒子群算法对其进行优化，结果表明权重取0.5时，优化结果比原叶片的年发电量大且度电成本有所降低。在此基础上对600kW定速定桨带襟翼风力机进行设计和优化，结果表明带襟翼的风力机低风速的捕风能力大大提高，额定风速也有所降低，年发电量提高了10％，度电成本降低了5％。进而对1.5MW变速变桨风力机进行带襟翼叶片的设计及优化，进一步验证了尾缘襟翼在一定风速范围内同样可以提高变桨变速风力机捕风能力，不过其提高的幅度没有在定速定桨风力机上效果明显。通过定速定桨及变速变桨两类风力机叶片的优化设计表明，带襟翼风力机可以提高低风速时风力机的捕风能力，并可降低高风速时风力机的载荷，从而延长风力机的使用寿命。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景及其意义

1．1．1 风能技术应用

1．1．2 风力机分类

1．1．3 风力机技术发展趋势

1．1．4 风力机热点问题

1．2 国内外研究现状

1．2．1 翼型气动性能分析及优化研究现状

1．2．2 带襟翼风力机翼型及流动控制研究现状

1．2．3 风力机叶片气动性能计算研究现状

1．2．4 风力机叶片优化技术现状

1．3 本文主要工作及结构

1．3．1 本文主要工作

1．3．2 论文结构安排

第2章 风力机气动性能分析理论

2．1 引言

2．2 翼型的气动参数

2．2．1 翼型压力系数

2．2．2 升力系数

2．2．3 阻力系数

2．2．4 俯仰力矩系数

2．3 叶素-动量理论(BEM)

2．3．1 动量理论

2．3．2 叶素理论

2．3．3 叶素-动量理论

2．4 气动修正模型

2．4．1 Prandtl修正模型

2．4．2 葛劳渥特修正模型

2．4．3 Wilson和Lissaman修正模型

2．4．4 de Vries修正模型

2．4．5 shen修正模型

2．4．6 诱导因子迭代计算步骤

2．4．7 三维旋转效应修正模型

2．5 叶片气动计算修正

2．6 定常气动性能计算

2．7 复合材料欧拉梁理论模型

2．7．1 复合材料各向异性力学理论

2．7．2 复合材料板强度准则

2．8 叶素动量理论与欧拉梁理论耦合模型

2．9 本章小结

第3章 带尾缘襟翼的二维风力机翼型气动性能分析

3．1 数值计算方法

3．1．1 控制方程

3．1．2 湍流模型

3．2 翼型选取及几何建模

3．2．1 翼型选取

3．2．2 几何建模

3．3 计算方法及参数

3．3．1 计算方法

3．3．2 相关参数确定

3．4 可靠性验证

3．4．1 网格无关性

3．4．2 升阻力系数

3．4．3 压力云图及流线图

3．4．4 压力系数图

3．5 襟翼偏转角对翼型气动性能的影响

3．5．1 襟翼偏转角对流场的影响

3．5．2 襟翼偏转角对翼型压力系数的影响

3．5．3 襟翼偏转角对翼型升阻力系数的影响

3．5．4 襟翼偏转角对翼型力矩系数的影响

3．6 襟翼长度对翼型气动性能的影响

3．6．1 襟翼长度对流场的影响

3．6．2 襟翼长度对翼型压力系数的影响

3．6．3 襟翼长度对翼型升阻力系数的影响

3．6．4 襟翼长度对翼型力矩系数的影响

3．6．5 小结

3．7 襟翼缝隙大小对气动性能的影响

3．7．1 带缝隙襟翼模型建立

3．7．2 襟翼缝隙对流场的影响

3．7．3 襟翼缝隙对翼型表面压力系数的影响

3．7．4 襟翼缝隙对翼型升阻力系数的影响

3．7．5 襟翼缝隙对翼型力矩系数的影响

3．7．6 襟翼缝隙对翼型气动性能的影响小结

3．8 本章小结

第4章 基于LSSVM数据挖掘技术的襟翼参数优化研究

4．1 引言

4．2 翼型气动特性数据挖掘方法选取原则

4．3 支持向量机

4．3．1 最小二乘支持向量机

4．3．2 支持向量

4．3．3 核函数

4．4 基于LSSVM的气动性能数据挖掘方法

4．4．1 升力系数数据挖掘

4．4．2 阻力系数系数数据挖掘

4．4．3 俯仰力矩系数系数数据挖掘

4．5 基于改进的QPSO襟翼参数优化

4．5．1 PSO算法

4．5．2 襟翼参数优化目标函数

4．6 本章小结

第5章 带襟翼风力机叶片气动性能分析

5．1 引言

5．2 CFD计算方法可靠性验证

5．2．1 叶片几何建模

5．2．2 计算方法

5．2．3 风力机计算域确定及网格划分

5．2．4 计算结果分析

5．3 基于BEM的Phase Ⅵ叶片气动性能分析

5．3．1 二维气动性能数据扩展

5．3．2 修正BEM理论计算结果分析

5．4 带襟翼的Phase Ⅵ叶片气动性能分析

5．4．2 带襟翼的Phase Ⅵ叶片网格划分

5．4．3 计算结果分析

5．5 本章小结

第6章 带襟翼风力机叶片优化设计及气动性能分析

6．1 引言

6．2 风力机叶片设计方法

6．3 风力机叶片常用设计模型

6．3．1 简化风力机设计模型

6．3．2 Schmitz风力机设计模型

6．3．3 Glauert风力机设计模型

6．3．4 Wilson风力机设计模型

6．3．5 动量叶素理论设计模型

6．3．6 600kW风力机叶片设计实例

6．3．7 带襟翼600kW风力机叶片设计实例

6．4 叶片形状参数优化

6．4．1 设计变量

6．4．2 约束条件

6．4．3 风速频率分布

6．4．4 叶片优化目标函数

6．4．5 量子行为粒子群优化算法(PSO)

6．4．6 叶片优化结果

6．5 翼型选择

6．5．1 翼型几何参数

6．5．2 翼型厚度对翼型气动性能的影响

6．6 雷诺数选择

6．6．1 雷诺数概念

6．6．2 不同雷诺数升力系数比较

6．6．3 不同雷诺数下阻力系数比较

6．6．4 不同雷诺数升阻比比较

6．6．5 不同雷诺数俯仰力矩系数比较

6．6．6 雷诺数对翼型气动性能影响小结

6．7 1．5MW风力机设计及优化

6．7．1 设计参数

6．7．2 翼型的选取

6．7．3 翼型的气动性能扩展

6．7．4 基于量子行为粒子群优化模型

6．7．5 无襟翼优化设计结果

6．7．6 带襟翼的1．5MW风力机叶片优化设计结果

6．8 小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介