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立轴风力机气动性能与数值模拟研究

作　者: 阳志钦
导　师: 刘雄伟
学　校: 湘潭大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 立轴风力机 流管模型 气动性能 SST k -ω湍流模型 滑动网格
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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引　用: 3次
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内容摘要


随着环境问题的日益突出,化石能源的渐趋枯竭,迫切需要大规模进行可再生能源的开发与利用。风力发电作为目前技术最成熟与最具规模开发的新能源,日益受到关注和重视。相比于水平轴风力机(HAWT)研究的深入,对立轴风力机(VAWT)的研究甚少。本文将采用理论计算与数值模拟相结合的方法,研究立轴风力机风轮的气动性能和绕流特性。主要包括四个部分:立轴风力机气动力与数值模拟基本理论、风轮气动性能计算、翼型数值模拟、风轮数值模拟。1)通过建立叶片与风轮的运动坐标系,详细分析了作用于风轮和叶片的气动力。阐述了单盘面多流管模型和双盘面多流管模型,给出了速度诱导因子的迭代求解算法。介绍了计算流体动力学(CFD)的基本理论及离散方法,分析比较了常用速度—压力修正方法的优缺点。2)应用流管理论并结合Gormont动态失速模型与Masse修正方法,对Φ-17m型风力机风轮气动性能进行了计算和分析,验证了流管模型的准确度和适用叶尖速比范围。取风轮赤道半径处叶素、单个叶片和风轮为研究对象,详细研究分析了风轮气动参数对其气动性能的影响规律。3)采用不同的数学模型模拟了NACA0018翼型±30 o攻角范围内翼型绕流特性,获得翼型升、阻力系数与气流分离特性。分析了绕翼型气流分离的各种状态与过渡过程,并对气流分离点随攻角的变化规律进行了讨论。4)采用SST k ?ω两方程湍流模型,结合动态网格和滑动网格技术,对两种转速下风轮二维绕流场进行数值模拟。获得了风轮的绕流特性以及作用于叶片与风轮的气动力与力矩,并对动态网格与滑动网格下获得的模拟结果进行了对比分析。本文研究证明:中、低叶尖速比下流管模型能较准确的预测风力机的气动性能,高叶尖速比时流管模型计算与试验结果相差较大,须结合动态失速模型及修正方法。采用RNG k ?ε湍流模型所得NACA0018翼型气动特性最接近实验数据。应用滑动网格与动网格技术均能较真实地反映风轮绕流场特性,动态网格技术能更加确切地反映风力机的启动过程及实际运行状况。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 国内外风力发电发展现状  10-11
    1.1.1 国外风电发展现状  10-11
    1.1.2 国内风电发展现状  11
  1.2 国内外立轴风力机研究动态  11-13
    1.2.1 国外立轴风力机研究动态  11-12
    1.2.2 国内立轴风力机研究动态  12-13
  1.3 CFD 在立轴风力机气动性能中的研究动态  13-16
    1.3.1 CFD 在叶片翼型气动性能中的研究动态  13-14
    1.3.2 CFD 在立轴风力机中的研究动态  14-16
  1.4 本课题研究目的与内容  16-17
第二章 立轴风力机气动力与数值模拟理论  17-33
  2.1 风轮气动力分析  17-20
  2.2 气动力基本理论  20-27
    2.2.1 贝茨极限  20-22
    2.2.2 单盘面多流管模型  22-25
    2.2.3 双盘面多流管模型  25-26
    2.2.4 动态失速模型与修正方法  26-27
  2.3 数值模拟基本理论  27-32
    2.3.1 计算流体动力学概述  27-28
    2.3.2 控制方程  28-29
    2.3.3 湍流模型与计算方法  29-31
    2.3.4 CFD 求解步骤  31-32
  本章小结  32-33
第三章 立轴风力机风轮气动性能分析  33-50
  3.1 流管模型验证  33-35
    3.1.1 风剪效应  33-34
    3.1.2 算例分析  34-35
  3.2 Darrieus 风力机风轮  35-37
    3.2.1 Troposkien 曲线  35-36
    3.2.2 风轮结构形式  36-37
  3.3 风轮密实度  37-39
    3.3.1 高径比  37-38
    3.3.2 叶片数和弦长  38-39
  3.4 风轮气动性能分析  39-49
    3.4.1 叶片翼型  39-45
    3.4.2 叶片数与弦长  45-49
  本章小结  49-50
第四章 翼型二维数值模拟  50-59
  4.1 网格划分与湍流模型  50-52
    4.1.1 网格划分  50-51
    4.1.2 湍流模型  51-52
  4.2 边界条件与求解设定  52-53
    4.2.1 边界条件  52-53
    4.2.2 求解设定  53
  4.3 数值结果分析  53-58
    4.3.1 升～阻力特性  53-55
    4.3.2 翼型绕流分离  55-58
  本章小结  58-59
第五章 风轮流场二维数值模拟  59-69
  5.1 网格划分与湍流模型  59-62
    5.1.1 网格划分  59-60
    5.1.2 湍流模型  60-62
  5.2 边界条件与求解设定  62-63
    5.2.1 边界条件  62
    5.2.2 求解设定  62-63
  5.3 数值结果分析  63-68
    5.3.1 速度分布  63-67
    5.3.2 力与力矩  67-68
  本章小结  68-69
总结与展望  69-71
参考文献  71-75
致谢  75-76
附录 A 攻读学位期间发表的论文  76-77
附录 B 动态网格 UDF  77

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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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