两个不同尺度水平轴风力机叶片流固耦合数值模拟

摘要

能源的开发利用与人类社会发展息息相关，随着化石燃料燃烧对全球环境造成的污染问题越来越严重，清洁可再生能源越来越受到全球各国的重视，其中风能作为一种可再生能源，发展也越来越快。随着风电技术的发展，1.5MW和2MW风电机组成为如今的主流机型，由于风力发电机叶片弦向短、展向长的特点，空气气流与柔性叶片之间相互作用显著，流固耦合作用直接影响着风力机叶片的结构特性和气动特性。本文具体研究内容如下:
　　本文首先阐述了流固耦合基本知识，介绍了流固耦合分类与计算方法。进行流固耦合计算时，对叶片进行等效结构建模，并与模态频率实验值比较进行模态校核，证明等效结构建模的可行性。
　　对NREL PhaseⅥ小型风力机进行了单、双向流固耦合计算，研究表明:单、双向流固耦合时，在计算稳定的前提下，叶片结构特性结果一致，叶根处出现应力集中，叶片变形最大位置在叶尖;双向流固耦合时，可分析叶片变形响应对叶片气动特性的影响，对于PhaseⅥ风力机由于风轮直径较小，叶片变形不明显，流固耦合作用对风轮输出功率影响基本可以忽略。
　　为了更具有代表性，对大型2MW Tj(ae)reborg风力机进行了轴向来流和偏航来流下的双向流固耦合计算，与PhaseⅥ风力机结果不同的是，Tj(ae)reborg风力机叶片应力集中出现在中外叶展段。轴向来流时，中高风速下流固耦合作用对叶片出力影响作用显著;偏航来流时，由于叶片气动载荷随叶片方位角周期性变化造成叶片变形和应力分布周期性变化，并且偏航来流时局部位置叶片变形和应力集中较轴向来流严重。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景

1．2．1 全球风电发展概况

1．2．2 中国风电发展概况

1．3 研究意义

1．4 流固耦合介绍

1．4．1 流固耦合定义

1．4．2 流固耦合分类

1．5 国内外研究现状

1．6 主要工作内容

第2章 数值方法介绍

2．1 引言

2．2 控制方程

2．2．1 流体控制方程

2．2．2 固体控制方程

2．3 CFD数值方法

2．3．1 湍流模型

2．3．2 动静交接面处理方法

2．4 流固耦合数值方法

2．4．1 动网格技术

2．4．2 耦合面的数据传递

2．5 软件介绍

2．6 本章小节

第3章 NREL Phase Ⅵ叶片流固耦合分析

3．1 引言

3．2 单向流固耦合计算

3．2．1 流场计算模型及数值方法

3．2．2 流场计算结果

3．2．3 结构物理模型

3．2．4 流固耦合面数据传递

3．2．5 单向流固耦合结果分析

3．3 双向流固耦合计算

3．3．1 流体域网格无关性验证

3．3．2 流固耦合数值方法

3．3．3 双向流固耦合结果分析

3．4 本章小节

第4章 轴向来流Tj(ae)reborg叶片流固耦合分析

4．1 引言

4．2 流体域网格无关性验证

4．2．1 数值计算方法

4．2．2 计算结果

4．3 结构物理模型

4．4 流固耦合数值方法

4．5 数值结果分析

4．5．1功率及载荷分布

4．5．2 叶片结构特性

4．6 本章小节

第5章 偏航来流Tj(ae)reborg叶片流固耦合分析

5．1 引言

5．2 偏航角的定义

5．3 流固耦合数值方法

5．4 数值结果分析

5．4．1 输出功率及推力分布

5．4．2 偏航工况对叶片变形的影响

5．5 本章小节

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢