太原科技大学

机械工程学院

硕士

2018

TN83

低风速长叶片风力机翼型气动分析及优化研究

Aerodynamic Analysis and Optimization of Airfoil of Low Wind Velocity and Long Blade Wind Turbine

李闯

殷玉枫

机械工程(专业学位)

高素荷

近几年来,随着我国三北地区(东北、西北、华北)等高风速地区弃风限电问题日益严重,风能的开发利用逐渐转向电力需求量大的低风速区域。国内能够利用的低风速资源面积,约占全国可开发风能资源区总面积的68%,低风速风能资源的开发利用成为当前我国风力发电发展的重点方向之一。我国在风电机组的核心技术方面与国外还存在一定的差距。如风力机叶片翼型的开发及叶片的气动外形设计大部分依赖于国外,以引进为主,缺乏关键技术,严重制约着我国风机装备的自主研发水平。尤其是在风力机专用翼型族的设计研究方面,缺乏自主知识产权。因此,开展风力机专用翼型及叶片气动外形设计理论研究对提高我国风电装备的自主研发水平、积极发展风能资源具有重要的意义。本文围绕低风速条件,对风力机翼型表面的绕流和优化问题做了如下研究:(1)分析翼型表面的流动特性,探讨翼型边界层流体分离现象。根据普朗特分离判据,提出风力机翼型表面流体分离的充分必要条件。对于N-S方程所描述的实际粘性流动,分析风力机翼型表面实际粘性流动在分离点附近的性状,得出分离流线、零u线和零涡线的相对位置,即过分离点的零u线的斜率是分离流线斜率的2/3,分离点处零涡线的斜率是分离流线斜率的1/3。(2)基于雷诺平均Navier-Stokes方程,对风力机翼型进行数值模拟,计算翼型气动性能。利用FLUENT软件计算低风速条件下翼型的气动性能,通过计算得到翼型表面压力分布、速度分布和流体的分离情况。随雷诺数的减小,边界层的黏性效应增加使得翼型表面的摩擦阻力增加,从而增大翼型阻力系数,降低升阻比。大攻角下,翼型失速,后缘形成分离流,分离后的压力基本等于分离点处的压力。分离后压差阻力增大,从而导致翼型阻力系数急剧增大。(3)采用正设计方法,将数值优化方法和翼型气动性能求解结合。优化方法采用MATLAB优化工具中的优化函数,采用XFOIL软件计算翼型的气动性能。通过建立MATLAB/XFOIL接口,利用MATLAB自动调用XFOIL程序,并将计算结果导入MATLAB中。对于低风速风力机翼型的优化,以翼型的升阻比为优化目标,利用改进的Hicks-Henne型函数法对翼型外形进行参数化表示,以Hicks-Henne型函数的基函数系数为设计变量。对优化后的翼型应用XFOIL软件计算其气动性能,验证了优化结果的正确性。

In recent years,as China's three northern regions(Northeast,Northwest,North China)and other high wind speed areas have become more and more serious problems of abandon wind,the development and utilization of wind energy gradually turned to low wind speed areas with large power demand.The area of low wind speed resources that can be used