直叶片垂直轴风力机空气动力学性能研究

摘要

风力发电是可再生能源发电中最成熟和最具开发条件的发电方式之一。风力发电机可分为水平轴和垂直轴两种基本形式。目前水平轴风力机已被广泛的研究和应用，而垂直轴风力机凭借其自身的特性优势，也倍受学者重视。
　　 计算机技术的发展和三维湍流数值模拟技术的提高，为探索垂直轴风力机的气动性能提供了便利条件。本论文选取具有代表性的NACA0015翼型，对其进行翼型的数值模拟和基于理论模型的风轮整体气动性能研究。主要工作和成果如下：
　　 1、针对原型和添加不同高度Gurney襟翼的NACA0015翼型，建立了三维稳态数学模型。通过使用不同湍流模型计算得到了原型翼型气动特性，并对比文献参考实验数据，验证了模型的准确性。并分析了不同离散格式对计算结果的影响。
　　 2、选取较为适合于本文算例的S-A湍流模型，分别在不同襟翼高度、雷诺数等条件下，对添加襟翼NACA0015翼型进行数值模拟，并与原型翼型进行了比较。模拟的结果表明，添加襟翼能够实现襟翼增升的效果，同时这一效果也与襟翼高度密切相关。当攻角超过一定的范围后，襟翼对翼型的气动性能影响变小。添加Gurney襟翼对翼型失速攻角影响不大，雷诺数对失速攻角有一定影响但幅度不大。
　　 3、针对垂直轴风力机叶轮气动性能理论预报方法--多流管模型和双向多流管模型，采用模拟计算值创建翼型数据库，利用Matlab软件对两种模型进行分析计算。通过对比计算值与实验值，验证了计算的准确性。并得到结论，双向多流管理论模型比多流管理论模型更接近实验值。
　　 4、选用双向多流管理论模型，通过与原型对比，研究使用添加襟翼翼型的叶轮整体的气动性能。计算结果表明，尖速比和实度对垂直轴风力机的气动性能有一定影响。在同等条件下使用添加襟翼翼型相比原型能体现襟翼增升的优势，能获得更高的功率和更大的风力机旋转的控制和调节范围。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和选题依据

1.2 风力发电机的分类及比较

1.2.1 水平轴风力机

1.2.2 垂直轴风力机

1.2.3 水平轴与垂直轴风力发电机的简单比较

1.3 风力机国内外发展现状

1.3.1 风力发电发展简史

1.3.2 垂直轴风力机的国内外发展现状

1.3.3 垂直轴风力机的国内外研究状况

1.4 添加襟翼在风力机气动性能中的研究现状

1.4.1 添加襟翼风力机翼型特点

1.4.2 添加襟翼在垂直轴风力风力中的研究现状

1.5 本课题的研究内容

第2章 风力机基本理论及相关理论基础

2.1 升力与阻力

2.2 风力机的基本理论

2.2.1 贝茨理论

2.2.2 叶素理论

2.3 湍流模型

2.3.1 湍流模型的分类

2.3.2 Spalart-Allmaras湍流模型

2.3.3 k-ω两方程和SST k-ω两方程湍流模型

2.4 垂直轴风力机空气动力学设计理论

2.4.1 单流管理论的气动设计模型

2.4.2 多流管理论的气动设计模型

2.5 本章小结

第3章 翼型气动性能的数值模拟研究

3.1 NACA0015翼型的三维数值模拟

3.1.1 几何模型及网格的划分

3.1.2 边界条件的确定

3.1.3 近壁面湍流的处理方法

3.1.4 湍流模型的选择

3.1.5 控制方程的离散

3.1.6 计算结果的处理与分析

3.2 襟翼增升技术的三维数值研究

3.2.1 湍流模型和控制方程的选取

3.2.2 几何模型与网格划分

3.2.3 边界条件

3.2.4 升力系数和阻力系数

3.2.5 流场分析

3.2.6 雷诺数和马赫数对添加襟翼翼型的影响

3.3 本章小结

第4章 直叶片垂直轴风力机风轮气动性能研究

4.1 MATLAB简介

4.1.1 MATLAB功能简介

4.1.2 MATLAB程序设计基础

4.2 风轮的特性系数

4.3 直叶片垂直轴风力机流管理论模型

4.3.1 多流管理论模型

4.3.2 双向多流管理论模型

4.4 翼型气动特性数据库的确定

4.4.1 翼型气动特性在失速区的扩展

4.4.2 Viterna-Corrigan方法的验证

4.4.3 翼型特性数据库的确定

4.5 模型编辑程序及其验证

4.5.1 Matlab程序编辑

4.5.2 程序的可靠性验证

4.5.3 数据库的可靠性验证

4.6 垂直轴风力机的风轮参数研究

4.6.1 尖速比λ

4.6.2 实度σ

4.7 风轮气动性能的变化规律

4.7.1 使用原型与添加襟翼翼型风力机的比较

4.7.2 使用添加襟翼翼型风力机的变化规律

4.8 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 主要内容与结论

5.2 未来展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果