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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
引 用: 0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。

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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