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基于能源塔的风轮机叶片建模及气动性能分析

郭家富  
【摘要】:随着世界经济的发展以及人口增长,全球范围内的能源危机与环境污染问题日益凸显,为了缓解因此带来的各种不利因素,世界各国开始大力开发清洁可再生能源如太阳能、风能、潮汐能、地热能等来取代传统的一次能源,其中太阳能和风能的开发利用程度远高于其他新能源。本文中所述的能源塔正是利用太阳能和风能进行发电。能源塔的发电装置是安置在塔底周围的大型风轮机。影响风轮机功率输出的因素有风速、机械效率、叶片外形等,在风速恒定的情况下,叶片外形的设计就尤为重要,它是保证风轮机高效运作的关键所在。本文在基于能源塔的环境条件下,根据能源塔的设计发电容量、建筑面积以及预安装风轮机台数确定单台风轮机额定功率为4.5MW,并据此计算出叶片的几何外形参数,利用FLUENT软件进行气动数值模拟计算,主要内容如下:研究风轮机叶片的空气动力学理论,结合经验公式和定义公式推导建立叶片设计模型,通过比较传统翼型和风轮机专用翼型确定了本次设计所使用的叶片翼型为S818\S819\S825\S826\EPPLER 555,利用profili软件确定叶片各截面的弦长和扭角,对计算出的弦长和扭角进行线性拟合修正,最终得到叶片各叶素参数。最后通过UG软件绘制叶片及流场实体图。利用GAMBIT软件对单个叶片流场和叶片五个主要截面的二维流场进行网格划分并设置边界条件。利用FLUENT软件对额定风速下的叶片流场及各主要截面流场进行数值模拟,选择SST K-ω湍流模型,选择MRF移动参考系。观察分析了叶片表面的速度和压力分布图。阐明了气流的翼型绕流细节和叶片表面压力分布规律,为之后的叶片制作选材和进一步模拟完善做好准备。最后通过模拟计算得出风轮功率为4.6MW,实际功率大小为4.5MW;模拟计算所得风能利用系数为0.35,设计值为0.4。发现偏差较小,证明此次设计的风轮机叶片基本满足能源塔要求。


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