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Φ型风力发电机气动性能的数值模拟研究

作　者: 刘伯聪
导　师: 周超英
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 垂直轴风力机计算流体力学流管模型风能利用率赤道圆
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着能源危机的日益加剧，可再生能源的研究越来越受到人们重视。风能，作为可再生能源的一种，凭借其清洁、储量丰富、可循环利用等优点，受到广泛青睐。风能最广泛的用途为风力发电，而风力发电机作为风力发电的载体，对其气动性能研究成为风电领域的关注焦点。本文以美国Sandia实验室5mΦ型垂直轴风力发电机作为研究对象，用计算流体力学(CFD)方法对其气动性能进行分析，并与风机传统计算方法所得的结果进行对比分析，主要研究内容如下：首先，根据叶素动量理论，对Φ型风力发电机进行运动和受力分析。结合流管模型，使用MATLAB软件编程计算不同尖速比下风机的风能利用率，得到能直接反应风机气动性能的特性曲线，为CFD方法计算结果提供对比参照。其次，从CFD基础理论出发，使用CFD方法对Φ型风力发电机NACA0015翼型气动性能进行分析。利用CFD软件FLUENT计算，得出不同攻角下翼型的升力系数和阻力系数变化曲线，并得到翼型不同攻角下流场的速度流线图。接着，使用CFD方法，对Φ型风力发电机整机进行数值模拟。利用FLUENT前处理软件GAMBIT对风机流场进行三维网格划分，将网格文件导入到FLUENT中计算。通过计算风机在8个不同尖速比下的风能利用效率，得到风机的风能特性曲线，所得结果与叶素动量理论法所得结果进行比较，以实验值为标准，得出CFD方法对风机风能特性的预报更为准确。最后，取风力发电机赤道圆截面进行分析，使用CFD方法分析翼型弦长、叶轮个数和翼型种类等因素对风力发电机风能利用率的影响规律。本论文研究成果具有良好的工程应用价值，提供一种预报垂直轴风力发电机空气动力学性能的新方法。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 引言  9
  1.2 世界风力发电的历史、现状及趋势  9-12
  1.3 风机类型  12-17
    1.3.1 水平轴风力发电机  12-13
    1.3.2 垂直轴风力发电机  13-16
    1.3.3 水平轴与垂直轴风力发电机的比较  16-17
  1.4 CFD 方法在垂直轴风发力电机设计中的应用及现状  17-18
  1.5 课题的内容及意义  18-19
    1.5.1 课题内容  18
    1.5.2 课题意义  18-19
第2章 Φ 型风力发电机传统计算模型  19-31
  2.1 流管模型  19-23
    2.1.1 动量定理  19-20
    2.1.2 风能利用系数  20-21
    2.1.3 贝兹极限  21-22
    2.1.4 单盘面多流管模型  22-23
  2.2 风轮的运动与受力分析  23-27
    2.2.1 运动分析  23-24
    2.2.2 风轮受力分析  24-27
  2.3 算例分析  27-30
    2.3.1 风机性能参数  27
    2.3.2 算法说明  27-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章 NACA0015 翼型的气动性能分析  31-42
  3.1 CFD 理论基础  31-35
    3.1.1 基本控制方程  31-32
    3.1.2 湍流模型  32-33
    3.1.3 数值流场计算算法—SIMPLE 算法  33-34
    3.1.4 滑移网格基础  34-35
  3.2 翼型绕流场的数值模拟  35-41
    3.2.1 翼型几何参数  35
    3.2.2 翼型气动特性  35-36
    3.2.3 翼型失速特性  36
    3.2.4 翼型气动性能的数值模拟  36-41
      3.2.4.1 网格划分  36-38
      3.2.4.2 边界条件设定  38
      3.2.4.3 模拟结果  38-41
  3.3 本章小结  41-42
第4章 Φ 型风力发电机整机模拟及气动性能分析  42-55
  4.1 风力发电机的建模  42-43
  4.2 网格划分  43-45
  4.3 边界条件设定  45-46
  4.4 整机模拟  46-50
  4.5 气动性能分析  50-54
    4.5.1 二维模型及边界条件设定  51-52
    4.5.2 计算分析叶轮气动性能影响因素  52-54
      4.5.2.1 翼型弦长  52
      4.5.2.2 叶轮个数  52-53
      4.5.2.3 翼型种类  53-54
  4.6 本章小结  54-55
结论  55-56
参考文献  56-60
致谢  60

Φ型风力发电机气动性能的数值模拟研究

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