在世界風(fēng)能利用備受重視的背景下,我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了快速的發(fā)展,各種旨在提高風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的新想法層出不窮。對(duì)于風(fēng)力機(jī)而言,如何降低成本、提高風(fēng)能利用效率、保障運(yùn)行安全性以及減少對(duì)環(huán)境與生態(tài)的影響等都是相關(guān)研究人員所面臨的問(wèn)題。將Magnus效應(yīng)引入風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)中,來(lái)代替常規(guī)風(fēng)力機(jī)的葉片,為風(fēng)力機(jī)的研發(fā)和控制提供了新的思路。本文的主要內(nèi)容與研究成果如下: 一、結(jié)合風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)模擬的特點(diǎn),發(fā)展了一套可壓縮流體力學(xué)方程低速預(yù)處理方法的計(jì)算程序。 在比較了風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)模擬的各種數(shù)值計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)后,研究了一種以壓力、速度和焓為原始變量求解旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程的預(yù)處理計(jì)算方法。通過(guò)幾個(gè)二維翼型繞流的算例,對(duì)該計(jì)算方法及程序進(jìn)行了初步的考核與驗(yàn)證。結(jié)果表明,對(duì)于低馬赫數(shù)流動(dòng),該預(yù)處理方法能夠達(dá)到促進(jìn)與加速計(jì)算收斂的目的。 由于目前該程序?qū)θS風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)模擬時(shí)相對(duì)復(fù)雜的網(wǎng)格處理仍有一定的困難,因此,下文采用CFX軟件進(jìn)行風(fēng)力機(jī)及其相關(guān)流場(chǎng)的數(shù)值模擬。 二、通過(guò)幾個(gè)算例,驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。 分別通過(guò)二維定常NACA 63418翼型繞流、二維非定常靜止圓柱繞流與三維定常NREL PhaseⅥ風(fēng)力機(jī)繞流的數(shù)值模擬以及與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比,考核了本文數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明,對(duì)于非失速工況下的附著流動(dòng),數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好,對(duì)風(fēng)力機(jī)扭矩的預(yù)測(cè)比較可靠;對(duì)于失速工況下的分離流動(dòng),數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有所下降,但仍能得到可比的結(jié)果。 三、通過(guò)數(shù)值模擬,分別研究了采用不同長(zhǎng)徑比的直圓柱葉片、倒圓錐葉片以及不同波長(zhǎng)的波狀圓柱葉片的Magnus機(jī)風(fēng)力氣動(dòng)性能及流動(dòng)控制特性。 研究表明,風(fēng)輪尖速比與圓柱轉(zhuǎn)速比是Magnus風(fēng)力機(jī)的兩個(gè)重要的無(wú)量綱參數(shù)。Magnus風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率系數(shù)隨尖速比及轉(zhuǎn)速比先增大后減小,推力系數(shù)均隨尖速比及轉(zhuǎn)速比增大而增大。旋轉(zhuǎn)圓柱對(duì)Magnus風(fēng)力機(jī)的輸出功率與推力載荷均有很好的控制效果。 其中,對(duì)于直圓柱葉片的Magnus風(fēng)力機(jī),葉片長(zhǎng)徑比的大小決定了風(fēng)力機(jī)正常工作的尖速比范圍及其最大風(fēng)能利用率系數(shù)。對(duì)于倒圓錐葉片的Magnus風(fēng)力機(jī),當(dāng)尖速比與轉(zhuǎn)速比較低時(shí),由于葉片內(nèi)側(cè)的局部轉(zhuǎn)速比損失,其風(fēng)能利用率系數(shù)略低于相同葉尖尺寸的直圓柱葉片的Magnus風(fēng)力機(jī);而當(dāng)尖速比與轉(zhuǎn)速比較高時(shí),其最高風(fēng)能利用率系數(shù)相比直圓柱葉片的Magnus風(fēng)力機(jī)有顯著提高。對(duì)于波狀圓柱葉片的Magnus風(fēng)力機(jī),由于旋轉(zhuǎn)波狀圓柱的受力效果不佳,導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)葉片的能耗過(guò)大,因而其風(fēng)能利用率系數(shù)相對(duì)較低。 四、提出了一種新型的Magnus力作用下的前緣旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī),并通過(guò)數(shù)值模擬,研究了這種前緣旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能及流動(dòng)控制特性。 通過(guò)數(shù)值計(jì)算,對(duì)施加前緣旋轉(zhuǎn)控制的NACA 63418翼型的相關(guān)幾何控制參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),得到了前緣旋轉(zhuǎn)NACA 63418翼型的間隙大小與旋轉(zhuǎn)圓柱尺寸。 首先針對(duì)二維前緣旋轉(zhuǎn)NACA 63418翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬結(jié)果表明,當(dāng)攻角較小時(shí),由于翼型壓力面間隙出口處出現(xiàn)流動(dòng)分離,前緣旋轉(zhuǎn)圓柱的控制效果不好;當(dāng)攻角較大時(shí),前緣旋轉(zhuǎn)圓柱能夠有效抑制翼型吸力面上的流動(dòng)分離,從而延緩翼型失速,翼型的氣動(dòng)性能得到了大幅提升。 在二維翼型研究的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了三維前緣旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能研究。數(shù)值模擬結(jié)果表明,與變截面葉片前緣旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)相比,而等截面葉片前緣旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能較好。分析風(fēng)力機(jī)葉片表面的載荷分布后發(fā)現(xiàn),當(dāng)尖速比較高時(shí),旋轉(zhuǎn)圓柱表面的吸力峰作用顯著增強(qiáng),因而前緣旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率系數(shù)提高。對(duì)葉片槳距角的研究發(fā)現(xiàn),為了保證前緣旋轉(zhuǎn)圓柱對(duì)風(fēng)力機(jī)流動(dòng)控制效果,風(fēng)力機(jī)葉片的攻角不宜過(guò)大。 此外,還研究了前緣旋轉(zhuǎn)圓柱對(duì)等截面葉片前緣旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)控制特性,并由此提出了一種在不同風(fēng)速條件下通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)圓柱轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)風(fēng)能輸出功率最大化的氣動(dòng)控制方法。
【學(xué)位單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類(lèi)】：TK83
【部分圖文】：

然后聯(lián)接到發(fā)電機(jī)上，再由發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生電能后向外輸出。齒輪箱電機(jī)均位于機(jī)艙內(nèi)，塔架是支承風(fēng)輪與機(jī)艙的構(gòu)架。為了減小地面大氣邊界風(fēng)速的影響，塔架一般修建得比較高，并且要有足夠的強(qiáng)度。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所的電力既可以通過(guò)電池儲(chǔ)存起來(lái)，又可以并入電網(wǎng)提供給用戶(hù)使用。由于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀況取決于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速條件，發(fā)電量相對(duì)不穩(wěn)定，這給風(fēng)電并來(lái)了不小的難度。根據(jù)風(fēng)輪軸線與水平面的相對(duì)位置，可將風(fēng)力機(jī)分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直力機(jī)兩大類(lèi)。目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)的風(fēng)力機(jī)都是如圖 1.2 所示的水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪通常包含兩至三個(gè)葉片。

然后聯(lián)接到發(fā)電機(jī)上，再由發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生電能后向外輸出。齒輪箱電機(jī)均位于機(jī)艙內(nèi)，塔架是支承風(fēng)輪與機(jī)艙的構(gòu)架。為了減小地面大氣邊界風(fēng)速的影響，塔架一般修建得比較高，并且要有足夠的強(qiáng)度。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所的電力既可以通過(guò)電池儲(chǔ)存起來(lái)，又可以并入電網(wǎng)提供給用戶(hù)使用。由于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀況取決于當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速條件，發(fā)電量相對(duì)不穩(wěn)定，這給風(fēng)電并來(lái)了不小的難度。根據(jù)風(fēng)輪軸線與水平面的相對(duì)位置，可將風(fēng)力機(jī)分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直力機(jī)兩大類(lèi)。目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)的風(fēng)力機(jī)都是如圖 1.2 所示的水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪通常包含兩至三個(gè)葉片。

圖 1.3 激盤(pán)模型的流管示意圖[4]26 年，貝茨在理想風(fēng)輪假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了風(fēng)輪前后的流動(dòng)模的做功情況。如圖 1.3 所示，風(fēng)輪用均一可穿透的“激盤(pán)”來(lái)表示力不連續(xù)�？刂企w取包圍激盤(pán)的一段流管，其邊界由流管兩端截面。風(fēng)沿流管軸向作不可壓縮定常流動(dòng)，不考慮尾跡旋轉(zhuǎn)。風(fēng)輪前后壓力都視為無(wú)擾動(dòng)情況下的環(huán)境壓力。于要對(duì)風(fēng)輪做功，風(fēng)流過(guò)風(fēng)輪后速度必然降低，根據(jù)動(dòng)量定理，由率得到流場(chǎng)作用于風(fēng)輪的軸向推力為：( )d wT ρAU U U∞= ρ 是空氣密度，A 是風(fēng)輪迎風(fēng)面積，U∞是無(wú)擾動(dòng)的來(lái)流速度，U處的速度，dU 代表風(fēng)穿過(guò)風(fēng)輪時(shí)的軸向速度。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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2 李佳;胡丹梅;張建平;;水平軸風(fēng)力機(jī)靜態(tài)失速數(shù)值模擬[J];華東電力;2011年07期

3 李鋒,汪翼云,崔爾杰;利用轉(zhuǎn)動(dòng)前緣的動(dòng)邊界效應(yīng)控制翼面分離的數(shù)值模擬[J];空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);1992年01期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 范忠瑤;風(fēng)力機(jī)定常與非定常氣動(dòng)問(wèn)題的數(shù)值模擬研究[D];華北電力大學(xué)（北京）;2011年

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

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本文編號(hào)：2820548