风力机流场数值计算与叶片设计.pdf

南京航空航天大学
硕士学位论文
风力机流场数值计算与叶片设计
姓名:雷延生
申请学位级别:硕士
专业:动力机械及工程
指导教师:周正贵
20090301
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
风力机是自然界将风能转化为机械能或电能的装置。气动性能计算是风力机设计和校核中
的重要环节,气动性能计算的准确性,直接影响叶片的气动特性和结构安全,从而影响风力机
的运行效率和运行寿命。本文在国家重点基础研究发展(973)计划资助下开展研究,工作主要
分为以下三部分。
第一部分,开展二维翼型气动性能的数值研究。首先研究了不同参数包括计算区域、网格
疏密程度、紊流模型以及网格正交性对于二维翼型气动性能数值计算精度的影响,得到了高精
度二维翼型气动性能的计算方法。在此基础上,开展雷诺数对于二维翼型气动性能数值影响的
研究,发现无论是无分离流动还是分离流动,当雷诺数大于自模化雷诺数时,二维翼型的升阻
力系数不再随这雷诺数变化而变化。再次,由于动态失速对于二维翼型的气动性能会有重大影
响。本文应用 Fluent 软件的用户自定义功能设置了运动网格研究翼型振荡运动的动态失速现象,
得到二维翼型动态失速的运动规律。
第二部分,开展三维风轮气动性能的数值研究。首先,基于动量—叶素理论在二维翼型的
升阻力系数数据基础上计算三维风轮的气动性能,并以此评估了二维翼型气动性能计算精度对
于三维风轮气动性能计算的影响。接着,采用 CFD 方法研究三维风轮气动性能,并比较了大涡
模拟和 S—A 紊流模型两种方法的计算精度。再进一步的进行洞壁干扰修正,得到了精度较高
的三维风轮气动性能数值研究方法。
第三部分主要研究低风速下高性能风力机叶片的设计方法。首先利用相关参考文献建立初
始叶片造型,然后根据动量—叶素理论对于风轮风能利用系数计算的基础上采用遗传算法对影
响风力机风轮气动性能的两个重要参数即弦长和安装角进行优化,最后完成优化后的风力机风
轮的造型设计。

关键词:风力机,数值计算,二维翼型,雷诺数,动态失速,三维风轮,叶片设计
i
风力机流场数值计算与叶片设计
ABSTRACT
Wind turbine is a machine which changes wind energy to mechanical energy or electric energy
in nature. Calculation of wind turbine aerodynamic performance is an important step of desinging and
checking wind turbine. The accuracy calculation of wind turbine erodynamic performance directly
affects blade aerodynamic performance and structure safety and further affects wind turbine
efficiency and lifetime.
This paper is financial aided by national basic research program of china(973). The research
consists three parts. The first part is the numerical study on two-dimensional airfoils aerodynamic
performance. Firstly, research on various parameters of calculation region, density, turbulence model
and grid orthogonality affects calculation accuracy of two-dimensional airfoils aerodynamic
performance in order to get a method on two-dimensional airfoils aerodynamic performance
calculation with high accuracy. On this basis, do the research on reynolds number affecting
two-dimensional airfoils aerodynamic performance. We can conclude