面向设计的风力机翼型气动特性数值研究

论文摘要

风力机叶片的设计需要考虑多学科的问题,包括空气动力学、结构动力学、材料力学等内容。翼型是构成风力机叶片几何外形的基本要素,因此翼型性能的好坏直接决定了风力机性能的好坏。传统风力机叶片多采用航空翼型,此类翼型通常具有较大的前缘粗糙度敏感性,当叶片表面由于灰尘、油污等原因变得不光滑时,升力系数和升阻比都会有很大程度的下降；另外,由于风力机叶片有不断增大的趋势,各剖面翼型的工作Re变化范围为105～107,掌握不同Re数对翼型气动特性的影响规律对风力机叶片的设计及载荷计算十分必要。因此研究表面粗糙度和雷诺数对翼型气动性能的影响是比较热点的问题。本论文的研究上作是863课题“风力机组叶片的先进翼型族设计与应用”的一部分,论文研究工作主要包括以下内容：（1）对现有公开发表的翼型进行调研,归纳整理其几何特性,总结弯度、厚度、前缘半径等几何因素对翼型气动性能的影响规律;（2）介绍了翼型气动计算的两种方法CFD和面元法,对两种方法分别进行了验证,确定了计算方法的可靠性,并对两种方法进行了比较；（3）利用NUMECA软件,采用带有壁面函数的K-E模型,模拟了翼型表面粗糙度对气动性能的影响；（4）通过搜集翼型气动性能实验数据与CFD计算相结合的方法,总结了雷诺数对翼型气动特性的影响。为以后风力机翼型的设计提供了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 背景及意义
• 1.2 国内外风力发电现状
• 1.2.1 国外现状
• 1.2.2 国内现状
• 1.3 国内外翼型研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 风力机翼型基本理论
• 2.1 翼型基本知识
• 2.1.1 翼型的几何参数
• 2.1.2 翼型的气动特性
• 2.1.3 影响翼型气动特性的参数
• 2.2 传统的风力机翼型
• 2.2.1 NACA 系列翼型
• 2.2.2 NACA 系列翼型住风力机上的应用
• 2.3 风力机专用新翼型
• 2.3.1 DU 系列翼型
• 2.3.2 RISΦ系列翼型
• 2.3.3 FFA 系列翼型
• 2.3.4 NREL S 系列翼型
• 2.4 本章小结
• 第3章 翼型气动性能计算方法的研究
• 3.1 基于 N-S 方程的 CFD 方法的研究
• 3.1.1 几何模型介绍
• 3.1.2 数值方法介绍
• 3.1.3 计算结果的确认
• 3.2 基于 XFOIL 的面元法的研究
• 3.2.1 XFOIL 介绍
• 3.2.2 XFOIL 计算程序的验证
• 3.3 基于 XFOIL 的面元法和 CFD 方法的比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 风力机翼型气动性能分析
• 4.1 NACA 系列翼型
• 4.1.1 NACA63215/NACA63218/NACA63221翼型
• 4.1.2 NACA63415/NACA63418/NACA63421翼型
• 4.1.3 NACA64415/NACA64618/NACA64421翼型
• 4.1.4 NACA65415/NACA65421翼型
• 4.2 DU 系列翼型
• EU/DU350_EU/DU400 EU 翼型'>4.2.1 DU300_EU/DU350_EU/DU400 EU 翼型
• 4.2.2 DU91-W2-250/DU98-W-210翼型
• 4.3 FFA系列翼型
• 4.4 本章小结
• 第5章 表面粗糙度和雷诺数对翼型气动性能的影响
• 5.1 表面粗糙度对翼型气动性能的影响
• 5.1.1 几何模型
• 5.1.2 数值模型
• 5.1.3 网格无关性的验证
• 5.1.4 壁面粗糙度对气动性能的影响
• 5.2 雷诺数对翼型气动性能的影响
• 5.2.1 几何模型
• 5.2.2 数值方法
• 5.2.3 S825翼型计算结果分析
• 5.2.4 NACA63215和 NACA63418计算结果分析
• 5.2.5 从低雷诺数到高雷诺数延拓的方法
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士士学位期间发表的论文及其它成果
• 攻读硕士学位期间参加的科研工作
• 致谢