【摘要】：作為可再生能源,風(fēng)能越來越受到全世界的重視。本文以風(fēng)力機(jī)專用翼型S809和NREL Phase VI風(fēng)力機(jī)葉片作為研究對(duì)象,采用數(shù)值計(jì)算的研究方法對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型和葉片的繞流流動(dòng)進(jìn)行研究和分析。 本文采用有限體積法和SIMPLE算法,研究了計(jì)算區(qū)域大小和網(wǎng)格尺度大小對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型和風(fēng)力機(jī)葉片的繞流流動(dòng)數(shù)值計(jì)算精度的影響,得出合適的計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格尺度大小;在此基礎(chǔ)上分析不同湍流模型對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型和風(fēng)力機(jī)葉片的繞流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的可行性,選取了適合風(fēng)力機(jī)翼型和葉片的繞流流動(dòng)的湍流模型。采用非定常求解器分析了風(fēng)力機(jī)翼型的靜態(tài)失速和動(dòng)態(tài)失速的流動(dòng)特征;采用DES模型和滑移網(wǎng)格方法對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的繞流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析和討論了風(fēng)力機(jī)葉片表面的極限流線、葉片截面的壓力系數(shù)和沿葉片展向輸出轉(zhuǎn)矩的分布。將一些有意義的結(jié)論總結(jié)如下: (1)翼型處于失速區(qū)時(shí),上行攻角增大的過程,翼型的升力系數(shù)大于靜態(tài)的升力系數(shù);在下行攻角減小的過程,翼型的升力系數(shù)小于靜態(tài)的升力系數(shù)。隨著初始角、折算頻率和攻角變化的振幅增大,翼型的空氣動(dòng)力參數(shù)遲滯曲線包圍的面積增大,翼型的動(dòng)態(tài)失速效應(yīng)增強(qiáng)。 (2)風(fēng)力機(jī)葉片繞流流動(dòng)在低速來流風(fēng)速時(shí),采用κ-ωSST湍流模型和多重坐標(biāo)系的計(jì)算方法,葉片各個(gè)截面的壓力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)一致;高速來流風(fēng)速時(shí),采用DES和滑移網(wǎng)格模型的計(jì)算方法,葉片各個(gè)截面的壓力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)一致。 (3)風(fēng)力機(jī)葉片繞流流動(dòng)在低速來流風(fēng)速時(shí),沿來流速度的流動(dòng)方向,葉片不同截面的流體流動(dòng)未發(fā)生邊界層分離,沿葉片展向流體未發(fā)生流動(dòng)。高速來流風(fēng)速時(shí),沿來流速度流動(dòng)方向,靠近葉根截面的流體流動(dòng)發(fā)生邊界層分離,同時(shí)流體沿葉片展向上也發(fā)生流動(dòng)。 (4)風(fēng)力機(jī)葉片沿展向單位長度輸出轉(zhuǎn)矩系數(shù)分布隨來流風(fēng)速變化而變化,低速來流風(fēng)速時(shí),單位長度輸出的轉(zhuǎn)矩系數(shù)從葉根到葉尖呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在r/R=0.80附近達(dá)到極大值,風(fēng)力機(jī)葉片的輸出轉(zhuǎn)矩主要集中在r/R=0.60-0.80;高速來流風(fēng)速時(shí),單位長度輸出的轉(zhuǎn)矩系數(shù)呈現(xiàn)雙峰分布,r/R=0.60達(dá)到極小值,其后又開始上升,在r/R=0.80附近達(dá)到極大值。 (5)隨來流風(fēng)速增大流體出現(xiàn)流動(dòng)分離,流體在葉片展向存在流動(dòng);科氏力和離心力共同作用使流體流動(dòng)的邊界層分離發(fā)生延遲;相同雷諾數(shù)和攻角情況,靠近葉根截面的翼型升力系數(shù)大于二維靜止?fàn)顟B(tài)的升力系數(shù)1倍。 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的準(zhǔn)確計(jì)算和流動(dòng)分析,是風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),本文對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型和葉片繞流流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法的研究以及對(duì)數(shù)值計(jì)算的流場數(shù)據(jù)進(jìn)行氣動(dòng)性能和流動(dòng)特征的分析,均可以為風(fēng)力機(jī)專用翼型的設(shè)計(jì)和風(fēng)力機(jī)葉片的失速延遲模型和動(dòng)態(tài)失速模型提供理論依據(jù)和幫助。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TK83
【圖文】：

三十的增長速度，預(yù)計(jì)至 2015 年，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的總產(chǎn)值增至目前的五倍[3]。目前全球有五十多個(gè)國家在積極進(jìn)行風(fēng)能事業(yè)的發(fā)展，平均增長速度為 30%，而美國、德國和意大利的增長速度高達(dá) 50%以上，德國的風(fēng)力發(fā)電量占總發(fā)電量的 5%以上，丹麥的風(fēng)力發(fā)電量已經(jīng)超過總發(fā)電量的 20%。Vestas(丹麥)、Gamesa(西班牙)、Nordex(德國)等國際型大企業(yè)都分布在這些風(fēng)力發(fā)電發(fā)達(dá)的國家。我國風(fēng)能資源儲(chǔ)量豐富，據(jù)初步估算，我國陸上離地面 10 m 高度層的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為 32.26 億千瓦，可開發(fā)量為 2.53 億千瓦；近海（水深不超過 10 m）區(qū)域，離海面 10m 高度層的風(fēng)能儲(chǔ)量約為 7.5 億千瓦。我國具備大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的資源條件，內(nèi)蒙、吉林、遼寧已經(jīng)成為我國風(fēng)力發(fā)電最多的三個(gè)省區(qū)。目前風(fēng)力發(fā)電成為增長最快的新能源的一種，在過去十幾年，風(fēng)電成本降低了 50%,與傳統(tǒng)能源成本并無劣勢，風(fēng)力機(jī)組的可靠度、效率和質(zhì)量等方面都有極大的改善和提高。如圖 1、圖 2,近幾年全球和我國風(fēng)電行業(yè)均快速發(fā)展, 2008 年中國新增風(fēng)電裝機(jī)容量630萬千瓦，新增量位列全球第二，截至2008年底總裝機(jī)容量達(dá)到1221萬千瓦，同比增速 106%，持續(xù)三年翻番, 截至 2010 年底，中國全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)達(dá) 1600 萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá) 4182.7 萬千瓦，首次超過美國，躍居世界第一，提前實(shí)現(xiàn) 2020 年可再生能源中長期規(guī)劃的裝機(jī)容量 3000 萬千瓦的目標(biāo)[2-3]。單位:萬千瓦

三十的增長速度，預(yù)計(jì)至 2015 年，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的總產(chǎn)值增至目前的五倍[3]。目前全球有五十多個(gè)國家在積極進(jìn)行風(fēng)能事業(yè)的發(fā)展，平均增長速度為 30%，而美國、德國和意大利的增長速度高達(dá) 50%以上，德國的風(fēng)力發(fā)電量占總發(fā)電量的 5%以上，丹麥的風(fēng)力發(fā)電量已經(jīng)超過總發(fā)電量的 20%。Vestas(丹麥)、Gamesa(西班牙)、Nordex(德國)等國際型大企業(yè)都分布在這些風(fēng)力發(fā)電發(fā)達(dá)的國家。我國風(fēng)能資源儲(chǔ)量豐富，據(jù)初步估算，我國陸上離地面 10 m 高度層的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為 32.26 億千瓦，可開發(fā)量為 2.53 億千瓦；近海（水深不超過 10 m）區(qū)域，離海面 10m 高度層的風(fēng)能儲(chǔ)量約為 7.5 億千瓦。我國具備大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的資源條件，內(nèi)蒙、吉林、遼寧已經(jīng)成為我國風(fēng)力發(fā)電最多的三個(gè)省區(qū)。目前風(fēng)力發(fā)電成為增長最快的新能源的一種，在過去十幾年，風(fēng)電成本降低了 50%,與傳統(tǒng)能源成本并無劣勢，風(fēng)力機(jī)組的可靠度、效率和質(zhì)量等方面都有極大的改善和提高。如圖 1、圖 2,近幾年全球和我國風(fēng)電行業(yè)均快速發(fā)展, 2008 年中國新增風(fēng)電裝機(jī)容量630萬千瓦，新增量位列全球第二，截至2008年底總裝機(jī)容量達(dá)到1221萬千瓦，同比增速 106%，持續(xù)三年翻番, 截至 2010 年底，中國全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)達(dá) 1600 萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá) 4182.7 萬千瓦，首次超過美國，躍居世界第一，提前實(shí)現(xiàn) 2020 年可再生能源中長期規(guī)劃的裝機(jī)容量 3000 萬千瓦的目標(biāo)[2-3]。單位:萬千瓦

圖 1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量發(fā)展趨勢1.3 國內(nèi)外風(fēng)力機(jī)研究狀況風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能向電能轉(zhuǎn)化的一種機(jī)械裝置。風(fēng)力機(jī)效率的高低直接決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性；葉片是風(fēng)力機(jī)的最核心部件，葉片的氣動(dòng)特性參數(shù)，直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的壽命，又是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中系統(tǒng)的控制輸入?yún)?shù)和目標(biāo)對(duì)象。因而，風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)特性和性能的研究開發(fā)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之中的重要和關(guān)鍵課題。翼型是組成風(fēng)力機(jī)葉片的基本單元，目前風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)基本都是通過若干基礎(chǔ)翼型的堆疊和扭轉(zhuǎn)完成，因此翼型的氣動(dòng)特性是風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)特性的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)直接采用航空翼型，研究者對(duì)風(fēng)力機(jī)翼型的研究不斷深入，逐步發(fā)現(xiàn)航空翼型并不能很好的滿足風(fēng)力機(jī)葉片的工況。結(jié)合風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的流動(dòng)工況，優(yōu)秀的風(fēng)力機(jī)翼型應(yīng)當(dāng)具備以下幾種特性[5]：1．為了達(dá)到風(fēng)力機(jī)葉輪最大功率的輸出，葉片靠近葉尖部分的翼型應(yīng)當(dāng)具備

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 華欣;海鷗翅翼氣動(dòng)性能研究及其在風(fēng)力機(jī)仿生葉片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D];吉林大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 焦華超;兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)特性分析[D];新疆大學(xué);2012年

2 楊娜;風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷建模與控制[D];華北電力大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2796472