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考虑气动噪声的风力机翼型设计及其应用
作 者: 罗文博
导 师: 刘雄
学 校: 汕头大学
专 业: 机械电子工程
关键词: 翼型 噪声水平 气动性能 优化
分类号: TK83
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 69次
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内容摘要
随着风力机向大型化发展,风力机噪声问题不可忽略。由于叶片产生的气动噪声近似地与叶尖速度的五次方成正比,风力机制造商通常要对叶尖速度进行一定的限制,这显然制约着风力机的捕能效率,如何优化风力机的噪声性能已成为行业发展的必然,设计出气动性能优良并低噪的翼型,则可以使风力机叶片在设计时能突破因噪声引起的转速限制。本文首先对翼型理论、风力机气动设计理论以及噪声基础知识进行了阐述,接着分析了风力机翼型自身噪声的分类和产生机理,提出了一种可行的翼型优化方法,为翼型气动噪声的优化及在叶片中的应用奠定了基础。为了获得高升阻比、低噪声水平的风力机翼型,我们将气动噪声引入到风力机专用翼型的设计中,同时为了评价翼型气动噪声水平,对翼型自身噪声进行了讨论和研究,应用NASA基于大量风场和风洞实验而得到的翼型自身噪声模型进行建模。采用型函数扰动法表示翼型廓线,以翼型自身噪声水平作为优化目标,将气动特性作为性能约束,把翼型相对厚度作为形状约束,建立了翼型的优化设计模型。设计过程中,采用XFOIL获取翼型边界层参数,及对翼型的气动性能进行评价。将流场求解程序和直接优化方法相结合,采用改进后的复合形法进行搜索寻优,用MATLAB编制了优化程序。以NACA4415作为原始翼型在不同雷诺数工况下进行优化设计,得到了具有高气动性能、低噪声水平的风力机专用翼型。将优化前和优化后的翼型分别应用到5KW水平轴风力机叶片的设计中,采用Glauert优化理论对叶片进行了简单的气动外形设计,基于翼型自身噪声理论,运用有限单元分段的思想对叶片噪声进行了预测,并比较了叶片采用优化翼型前后的气动性能和噪声性能,结果表明采用优化翼型所设计的叶片在保持较好气动性能的同时,噪声性能也有一定程度的降低,论证了本论文研究方法的可行性。
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全文目录
摘要 3-4 Abstract 4-8 第一章 绪论 8-13 1.1 全球风电发展现状 8-9 1.2 国内风电发展现状 9-10 1.3 本文选题背景和意义 10-12 1.4 本文主要工作 12 1.5 本文创新点 12-13 第二章 风力机翼型基本理论 13-22 2.1 风力机翼型的发展史 13-14 2.2 翼型的几何参数 14-15 2.3 翼型的气动特性 15-20 2.3.1 攻角的影响 16-17 2.3.2 雷诺数的影响 17-18 2.3.3 马赫数的影响 18-19 2.3.4 翼型边界层理论 19-20 2.4 风力机专用翼型 20-21 2.5 本章小结 21-22 第三章 风力机气动设计理论 22-29 3.1 动量理论 22-23 3.2 叶素动量理论 23-25 3.3 叶素动量理论的修正 25-27 3.3.1 叶尖损失和轮毂损失 25-26 3.3.2 叶栅理论 26-27 3.3.3 高推力下的修正 27 3.4 Glauert优化理论 27-28 3.5 本章小结 28-29 第四章 风力机翼型气动噪声 29-45 4.1 噪声基础知识 29-34 4.1.1 噪声的物理度量 29-32 4.1.2 噪声频谱 32-34 4.2 翼型自身噪声 34-44 4.2.1 湍流边界层尾缘噪声 35-37 4.2.2 分离流噪声 37-38 4.2.3 层流边界层脱落涡噪声 38-40 4.2.4 钝尾缘噪声 40-42 4.2.5 叶尖涡噪声 42-43 4.2.6 指向性函数 43-44 4.3 本章小结 44-45 第五章 翼型优化方法 45-53 5.1 翼型的参数化表达 45-46 5.2 复合形法简介 46-51 5.2.1 初始复合形的构成 47-48 5.2.2 复合形法的基本运算 48-50 5.2.3 复合形法的改进 50-51 5.3 翼型优化流程 51-52 5.4 本章小节 52-53 第六章 翼型优化算例及其应用 53-66 6.1 翼型优化算例 53-58 6.2 叶片优化算例 58-65 6.2.1 总体参数设计 58 6.2.2 叶片气动外形设计 58-59 6.2.3 叶片气动性能的比较 59-60 6.2.4 叶片气动噪声的比较 60-65 6.3 本章小结 65-66 第七章 总结与展望 66-68 参考文献 68-71 致谢 71-72 硕士期间发表论文 72-73 个人简历 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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