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大型水平轴风力机风轮气动性能计算与优化设计

作　者: 宋显成
导　师: 杨从新
学　校: 兰州理工大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 大型风力机 气动性能 数值解法 优化设计 变桨距
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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引　用: 1次
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内容摘要


风力发电是风能利用最有效的形式,现代大型风力机以水平轴轴风力机为主。水平轴风力机风轮气动性能计算研究是当前风力机空气动力学研究的热点,是风力机气动优化设计及载荷计算的关键。本研究利用现代计算方法和手段,对大型风力机风轮的气动性能计算与优化设计进行研究。考虑到传统的无限叶片定环量的“圆盘理论”的不足,本研究采用复杂尾涡漩涡气动模型进行气动计算方法的研究。从最初的“叶片理论”和现有的数值解法出发,用数值方法对所涉及的积分-微分方程组进行求解,探索两种快速适用的气动性能计算的解法。一为Taylor级数-并行计算数值解法,其发挥了Fortran的快速并行计算的特性,并获得较好效果；二为Newton插值-数组化数值解法,其借助MATLAB等工具多线程计算的优势,实现了快速计算的目的。从研究中发现规律并总结：1)对风轮气动性能计算时,不断优化计算程序,并结合并行计算和数组化运算,能够提高计算速度,可实现气动优化设计快速寻优。2)所开发的气动计算方法与传统的各种气动计算方法进行了对比分析。计算结果随工况变化趋势一致,与GH bladed计算结果吻合较好。3)应用开发的数值解法,并结合PSO(Partical Swarm Optimization)优化算法,对大型风力机叶片外形进行了气动优化设计,对比分析表明,其优化效果较好。4)应用开发的数值解法,并同遗传算法相结合,对大型风力机变桨距气动参数进行了优化设计计算,特性变化趋势与实际风力机运行相符,具有一定的研究参考性。气动性能的快速准确计算,高效的优化算法选取,是大型风力机风轮气动优化设计的关键。本研究开发的计算方法能为以后的研究提供参考,能为大型风力机气动计算与优化设计提供依据。

全文目录


摘要  7-8
ABSTRACT  8-9
第1章 绪论  9-13
  1.1 开展风力发电研究的背景  9-10
  1.2 国内外风电开发状况  10-11
  1.3 国内外风力机研究状况  11-12
  1.4 主要研究内容  12
  1.5 创新点  12-13
第2章 基本理论综述  13-31
  2.1 风力机空气动力学理论基础简介  13-23
    2.1.1 贝茨理论  13-15
    2.1.2 动量理论  15-18
    2.1.3 叶素理论  18-20
    2.1.4 动量——叶素理论  20-23
  2.2 水平轴风力机风轮气动性能计算方法概述  23-26
    2.2.1 修正的动量——叶素理论方法  23-24
    2.2.2 涡尾迹法  24-26
    2.2.3 CFD方法  26
  2.3 计算工具概述  26-31
    2.3.1 Visual Fortran简介  27-28
    2.3.2 MATLAB简介  28-31
第3章 水平轴风力机风轮气动性能计算的数值解法  31-54
  3.1 复杂尾涡漩涡气动模型  31-35
    3.1.1 物理模型  31-32
    3.1.2 计算模型  32-35
  3.2 气动性能计算的数值解法  35-49
    3.2.1 早期的"叶片理论"数值解法的分析  35-38
    3.2.2 小攻角下的Taylor级数数值解法  38-40
    3.2.3 Taylor级数——并行计算数值解法  40-42
    3.2.4 Newton插值-数组化运算数值解法  42-49
  3.3 数值解法的编程实现  49-53
    3.3.1 并行计算  49-50
    3.3.2 Taylor级数-并行计算数值解法的Fortran程序实现  50
    3.3.3 Newton插值-数组化运算数值解法的程序实现  50-53
  3.4 本章小结  53-54
第4章 数值解法适用性的综合对比论证  54-57
  4.1 GH BLADED简介  54
  4.2 实例计算  54-55
  4.3 结果对比分析  55
  4.4 本章小结  55-57
第5章 大型水平轴风力机叶片气动优化设计  57-62
  5.1 粒子群算法  57-58
  5.2 优化设计数学模型  58-59
    5.2.1 设计变量  58
    5.2.2 目标函数  58
    5.2.3 约束条件  58-59
  5.3 优化设计编程实现  59
  5.4 实例计算与分析  59-61
    5.4.1 设计参数  59-60
    5.4.2 设计结果与分析  60-61
  5.5 本章小结  61-62
第6章 基于遗传算法的大型风力机变桨距设计  62-67
  6.1 遗传算法简介  62
  6.2 基于遗传算法的调桨角度设计计算模型  62-64
  6.3 实例计算  64-66
  6.4 本章小结  66-67
结论与展望  67-68
参考文献  68-72
致谢  72-73
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  73

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 风能、风力机械 > 风力机械和设备
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