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1、学校代号：1 0 7 3 l 学号：0 9 2 0 8 0 7 0 4 0 17 密级：公丌 兰州理工大学硕士学位论文 水平轴风力机叶片气动外形设计 及其数值模拟分析 T h eA e r o d y n a m i cC o n f i g u r a t i o nD e s i g na n dN u m e r i c a lS i m u l a t i o nf o r H o r i z o n t a l A x i sW i n dT u r b i n eB l a d e b y S iX i a o d o n g B E ( H e n a nP o l y t e
2、c h n i cU n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 M S ( L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ) 2 0 12 At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e R e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n g 1 n F l u i dM a c h i n e r y
3、a n dE n g i n e e r i n g I nt h e G r a d u a t eS c h o o l o f L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y S u p e r v i s o r P r o f e s s o rL iR e n n i a n J u n e ，2 0 1 2 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文足本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研
4、究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：怒叮 日期：厶，2 年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 ， 导师签名 日期：加，乏年 日期
5、：Z 口，z 年 f 月尹 日 f 月1 7 I 日 坝l 位论文 目录 目录I 摘要I A B S T R A C T I I 第1 章绪论1 1 1 开展风力发电研究的背景1 1 2 国内外风电开发状况2 1 3 国内外风力机研究状况7 1 4 主要研究内容9 第2 章风力机的基本概念和理论1 1 2 1 翼型结构和基本概念1 l 2 1 1 翼型几何参数1 l 2 1 2 翼型介绍1 2 2 1 2 1N A C A 系列翼型介绍1 2 2 1 2 2 风力机专用新翼型1 3 2 1 3 作用在翼型上的空气动力1 4 2 1 4 翼型无量纲气动力系数1 5 2 2 叶片基本气动理论1 6
6、 2 2 1 风轮的几何定义与参数1 6 2 2 2 贝茨理论1 7 2 3 风速计算1 9 2 3 1 风速的数学表达式1 9 2 3 2 额定风速的推导计算2 0 2 4 本章小结2 0 第3 章风力机叶片外形设计方法2 2 3 1G L A U E R T 涡流理论2 2 3 1 1 涡流理论2 2 3 1 2 风轮气动模型及诱导速度的确定2 3 3 1 3 轴向推力和转矩计算2 4 3 1 4 风轮及叶片的最优气动与几何参数2 6 3 2S C H M I T 2 8 3 2 1S C H M I T 方法2 8 3 2 2 气动性能的计算方法3 0 水、l 轴风J 机叶”气功外形殴汁
7、殷j I 数 】：( 模拟分f J T 曼曼曼! 曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼鼍! 曼皇曼! ! ! 曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼! ! ! 曼曼皇曼曼! 曼! ! 曼曼! 曼曼! o I II：| I I 曼! 曼曼曼蔓! 曼! 曼曼! 曼皇曼! ! 曼曼曼曼! ! 曼 3 2 3S C H M I T 中矽值的计算3 l 3 3 动量一叶素理论3 3 3 3 1 动量一叶素基本方法3 3 3 3 2 诱导冈子的计算3 5 3 3 3 气动模型3 7 3 4 本章小结3 8 第4 章一种新的风力机叶片外形设计方法3 9 4 1 叶片外形设计的G L A U E R T 理论3 9
8、4 2 新的尾流模式3 9 4 2 1 尾流收敛半径和轴向坐标的确定4 0 4 2 2 涡线角坐标的确定41 4 2 3 新的尾流模式的应用及误差分析4 2 4 2 3 1 近区轴向长度的影响4 3 4 2 3 2 扇形截面上计算点数的影响4 3 4 2 3 3 截面个数的影响4 4 4 3 新的设计方法4 4 4 3 1 气动模型4 4 4 3 2 叶片径向环量分布和诱导速度的确定4 5 4 3 3 风轮气动性能计算4 6 4 4 优化设计模型的建立及实例分析4 7 4 4 1 优化设计目标函数4 7 4 4 2 设计变量4 8 4 4 3 约束方程4 8 4 4 4 实例分析与比较4 8
9、4 5 本章小结5 1 第5 章叶片的实体建模与数值模拟5 2 5 1 叶片的几何建模5 2 5 1 1 求解叶片各截面空间实际坐标5 2 5 1 2 利用P R O E 建立实体模型5 3 5 2 计算网格的划分5 4 5 2 1 计算网格的基本类型5 4 5 2 2 流体区域网格的划分5 6 5 3 数学模型，5 8 5 3 1 旋转模型的选择5 8 f 口! f 彳1 一论义 5 3 2 旋转坐标系方程5 9 5 4 求解器和边界条件设置6 0 5 4 1 求解器设置6 0 5 4 2 边界条件设置6 0 5 5 计算结果分析与讨论6 1 5 6 本章小结6 1 结论与展望6 2 参考文
10、献6 3 致谢6 7 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 8 一一 硕f j 学位论文 摘要 面对R 益增长的能源需求和环保方面的压力，世界各国都在加大新能源的丌发力度，清 洁无污染、绿色廉价的叮再生能源是当今世界能源丌发的焦点。J x L 能是可再生清洁能源中最 具代表性的一种，它对保护环境和维持生态平衡，以及减少对常规能源依赖和改善能源结构 都有重要意义。风能丌发的重点是利用风力发电机将风能转换成电能。水平轴风力机是风能 利用巾最主要的形式，风力机中的关键部件又是叶片，它的设计好坏直接决定了风力机的工 作效率高低，由此看来风力机叶片外形的空气动力设计成为最为重要的课题。 本文首先在分析国内外风电开发现状、风力机翼型研究现状的基础上，对风力机叶片气 动设计方法做了详细的介绍，包括G l a u e r t 方法、S c h m i t z 方法，以及动量一叶素理论，并分 析各种设计方法之间的区别。 其次，以涡流理论为基础，基于现有的尾流模式，提出一种圆锥一圆柱尾流模型，并根据 流体连续性方程确定尾涡的扩散半径。 然后，以改进G l a u e r t 理论为目的，以有限叶片数，变环量及扩散状的尾流模型为依据， 建立和求解描述该模型的积分微分方程，获得一种确定水平轴风力机叶片气动外形设计的新 方法。应用该设计方
