毕业设计（论文）-垂直轴风机叶片翼型的空气动力分析.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文哈 尔 滨 理 工 大 学 毕 业 设 计 题 目： 垂直轴风机叶片翼型的空气动力分析 院、 系： 建筑工程学院工程力学系 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2014年 6月 19日哈尔滨理工大学毕业设计题目： 垂直轴风机叶片的空气动力分析院、系： 建筑工程学院工程力学系 姓名： 指导教师： 系主任： 2014年 6月 19日垂直轴风机叶片的空气动力分析摘要随着化石能源的过度消耗以及环境问题，风能越来越受到重视，各国都在努力开发风能资源。近几年我国的风能发电事业有了很大的发展，但我国关于风力发电技术的研究仍远落后于先进国家，尤其是对叶片的研究。本文所研究的是一个应用于H型三叶片垂直轴风力机上的叶片，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，主要工作和成果如下:（1）回顾风力发电的研究背景，介绍以往垂直轴风力机的研究工作，并阐述了垂直轴风力机的空气动力学设计理论， 给出了垂直轴风力机的流管理论模型，分析了垂直轴风力机的运行状态。（2）应用动量-叶素理论中的双盘多流管模型计算分析了相同雷诺数情况下多种应用较广泛的翼型。由此筛选出了较适合本文设计目标的翼型，并确定了用来进一步验证叶片性能的风轮结构的主要结构参数。（3）利用Gambit软件建模、FLUENT软件进行流场分析，改变雷诺数、攻角和叶片翼型，通过对叶片升力、阻力、升阻比的变化趋势，得出NACA 0012，NACA 0018，NACA 2415，NACA 4415四种翼型中最适用于叶片制造的翼型。关键词：垂直轴风机；叶片翼型；气动性能；数值模拟IAerodynamic Analysis Of Vertical Axis Wind Turbine Blades AbstractWith excessive consumption of fossil energy and environmental issues, people are increasingly pay attention to the wind energy , some countries are trying to develop the wind energy resources. In recent years, Chinas wind power business has been greatly developed, but our research on wind power technology is still far behind the advanced countries, especially in the study of the blade. It is studied in this paper is applied to the blades of a H-type three-bladed vertical axis wind turbine on the theoretical analysis and numerical simulation methods, the main work and results are as follows:（1) Review of wind power research background, previous research work introduces a vertical axis wind turbine, and expounded the theory of aerodynamics design vertical axis wind turbine, given the current administration on the vertical axis wind turbine models, analyzes the vertical axis wind turbine operation. （2）It is applied is Momentum - Double blade element theory of multi-model analysis of the flow tube at the same Reynolds number airfoils wider variety of applications. Thus screened out more suited to this article airfoil design goals, and identified the main structural parameters used to further validate the performance of the wind turbine blade structure.（3) The use of Gambit software modeling, FLUENT software flow field analysis, changing the angle of attack vane airfoils and, through the blades, lift, drag, lift-drag ratio, torque and trends around the blade pressure, velocity summary was NACA 0012,NACA 0018,NACA 2415,NACA 4415 the airfoil blade airfoil is ideal for manufacturing.Key words：Vertical axis wind turbine；Blade airfoil；Aerodynamic performance；Numerical Simulation III目录摘要IAbstractII第1章 绪论1 1.1论文研究的背景1 1.2垂直轴风机的介绍3 1.3文章中名词及缩写介绍6 1.4本文的研究意义和研究方法7第2章 垂直轴风机气动性能的理论研究9 2.1流管法9 2.2涡方法10 2.3动量一叶素理论13 2.3.1经典的动量一叶素理论13 2.3.2修正的动量一叶素理论16 2.4垂直轴风力机流管理论模型17第3章 数值模拟及分析结果21 3.1 NACA0015翼型建模21 3.2雷诺数对气动特性的影响23 3.3厚度对气动特性的影响25 3.4弯度对气动特性的影响28 3.5本章小结32结论34致谢35参考文献36附录A38附录B43第1章 绪论1.1 论文研究的背景目前人类发展和生存面临的最紧迫的问题就是能源和环境问题。改革开放以来，中国经济在发展快速，对能源的需求也日益增长，因此确保能源供应而且要低碳环保已成为中国经济发展过程中的重点问题。从近期来看，能源工业不可避免面临着全球环境污染的压力；从远期来看，能源工业会面临资源耗尽的问题。环境问题已经使得中国经济正在失去持续增长的潜能，中国经济在高速增长的同时正在对环境产生严重的破坏与不利影响。各个国家和国际组织都在努力寻找可持续发展的道路。由于风力发电具有储量丰富、施工周期短、投资灵活、占地少、以及具有良好的社会和经济上的效益，在众多的可再生能源中，风能以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐1。风能很早就被人类利用，两千多年以前，已经有人类利用风能创造出了风车、风帆、和风磨，在新世纪风力发电将会得到更大规模的开发和利用。风力发电机组是一种将风能转化为电能的机械。风力机中最主要的部件是风轮，风轮由桨叶和轮毅组成。桨叶必须要有较好的空气动力外形，才能在空气气流作用下产生足够的空气动力使风轮旋转，从而将风能转换成了机械能，最后再通过齿轮箱驱动发电机转变成为电能。图1-1水平轴风机风轮在风力作用下转动，是风力机中将风能转变为机械能的主要部件。风力机按照风轮的结构及其在气流中的位置一般可分为两大类:一类是水平轴风力发电机，如图1-1所示；第二类是垂直轴风力发电机，如图1-2和图1-3所示。其中水平轴风力发电机研究的已经比较多，相关资料也很多，是目前技术最成熟、生产量最多的一种。垂直轴风力机发展则相对滞后，相应其空气动力学及结构构造力学方面积累相对不足，大型商用机型发展步伐缓慢。但两者究竟孰优孰劣至今仍无定论2。 与水平轴风力机相比，垂直轴有很多优点：（l)不需要偏航装置，可以接受任意方向的来风，这样可以省去水平轴中复杂的偏航装置，降低机组的成本，提高系统的可靠性。（2)安装、维护简单。垂直轴的发电机等重要设备都可以安装在地面上，不同意水平轴需要安装在塔架顶部，这样的好处是降低了机组安装及运行维护成本，同时使发电机等重要设备运行更安全。（3)噪声小。水平轴叶尖在扫过气流时会产生很大的噪声，这也是现在水平轴风力机市场化过程中不妥的地方，而垂直轴运行过程中噪声很低。（4)没有塔影效应。塔影效应影响风力机的动力性能，是功率产生波动，由于垂直轴叶片与塔身之间距离较远，塔影效应较小。 （5)风轮受力简单、寿命长。水平轴风机叶片只在根部与塔身相连，受力情况类似于悬臂梁，根部由弯矩产生的压力较大。轮毅处还交替性的受到叶片重力产生拉力与挤压力。水平轴的风力机的叶片还受到周期性的风剪作用，受力情况比较恶劣。垂直轴风力机叶片及轮毅受力则比较简单、稳定。 （6)叶片形状简单，加工成本低。水平轴风力机的叶片沿展向法向需要扭转和变截面，加工成本较高。垂直轴风轮结构相对简单，对于直叶片垂直轴风机叶片更简单3。虽然垂直轴风力机相较于水平轴结构简单、运行维护成本低，但当前其发展却滞后于水平轴风力机是不争的事实。主要是考虑到他的风能利用率比水平轴的低，但这正是由于其基本研究积累不够导致优化工作不够深入所致。在近年来，在水平轴风力机占据大部分市场份额的同时，垂直轴风力机的研发也从来没有停止过脚步，经过各国研究者的不懈努力，现在垂直轴式风力机的尖速比可以达到5，风能利用率与水平轴式风力机的差距不断在缩小，在加上垂直轴风力机具有水平轴式风力机所没有的众多优点，相信今后垂直轴风力机的发展会越来越迅速4。 图1-2 型垂直轴风机 图1-3 H型垂直轴风机 1.2 垂直轴风机的介绍相对水平轴风机而言，若叶轮的旋转轴垂至于地表面(或来流)，则称为垂直轴风机(VAWT)5。垂直轴风车在中国已有2000多年的历史，而有详细记载的是建于公元1219年垂直轴风车，如图1-4所示。一般地，按照风对风机叶轮的推动方式可以将垂直轴风机分为阻力型和升力型两种。图1-4 垂直轴风车示意图（建于1219年，中国）人类历史上早期的垂直轴风车机构基本上属于阻力型。阻力型风机主要是利用气流在叶片前后形成的压强差来推动叶轮工作。因此，为了获取较大的阻力，需尽量增大叶片的迎风面积。当前被广泛应用的阻力型风机是1922年由芬兰工程师S.J.Savonius发明的Savonius风机，图1-5(a)和图1-5(b)分别给出了Savonius风机结构及工作原理。设计良好的Savonius风机在低风速时能获得很好的功率输出。但是同其它阻力型风机一样，Savonius风机存在固有的缺陷，即:工作速比范围很小，通常为00.38时，将使用迭代方法求解轴向诱导因子a和周向诱导因子b的第(6)步的 由 (2-17)代替。(2) 葛劳握特(Glarert)22修正方法 当a0.2时，将上述第(6)步中的 由 (2-18)代替。式中 (2-19)需要指出的是:在上述计算轴向诱导因子a和周向诱导因子b时，都假设风轮的锥角x为零。风轮锥角x是叶片与旋转轴垂直的平面的夹角。当风轮的锥角不为零时，则式 (2-9)和（2-12)可分别表示为 (2-20) (2-21)如果考虑普朗特叶尖损失修正因子23，则式(2-18)和式（2-19）为 (2-22) (2-23) 式中 (2-24)根据上面的关系式可以用迭代方法求得风轮有锥角时的轴向诱导因子a和周向诱导因子b。2.4 垂直轴风力机流管理论模型为了分析垂直轴风力机的空气动力特性，必须建立垂直轴轴风力机风轮的空气动力模型。对垂直轴风力机来说有流管模型、刚性尾涡模型和自由尾涡模型等。在设计建造风电机组之前，需要准确的预报风机叶轮气动性能。基于动量定理的流管法是一种比较成熟的理论预报方法。本文主要介绍垂直轴风力机流管模型24。(l)垂直轴风力机多流管理论模型多流管模型是一种计算比较简单，但是却具有很高精度的理论模型，应用多流管理论对直叶片垂直轴风力机的功率系数进行计算。垂直轴风力机俯视示意图和多流管模型示意图分别如图2-4图2-5示，图2-5中V表示为风轮远前方来流风速；Vd表示为特定过流断面速度；Vw表示为风力机的尾流速度25。图2-4 垂直轴风机俯视示意图图2-5 多流管模型示意图考虑到叶片数N的影响，将风轮周向Nt等分，得到流管宽度Rsin. 根据运动分析，动量方程各扭矩转速关系式，推导出直叶片垂直轴风力机的功率系数和功率为 (2-25) 式中:Cp力机风轮功率；P为风力机风车风轮输出功率；为空气密度；V为流管风速；为风轮实度；c为叶片弦长；为尖速比；D为风轮直径；H为风轮高度；k为诱导因子；Cn为法向力系数，Ct为切向力系数。 （2）垂直轴风力机双向多流管理论模型26双向多流管模型27是在多流管模型的基础上发展形成，在适当的尖速比下其计算精度比多流管高，采用双向多流管理论对直叶片垂直轴风力机的功率、功率系数进行计算。双向多流管模型示意图如图2-6所示。图2-6 双向多流管模型示意图根据运动分析，动量方程各扭矩转速关系，导出直叶片垂直轴风力机上风轮下风轮功率系数和功率关系式: (2-26) (2-27)由关系式(2-23)和（2-24）可得风轮的总功率、功率系数， 式中：Cp力机风轮功率； P为风力机风车风轮输出功率；为空气密度；V为流管风速；为风轮实度；c为叶片弦长；为尖速比；D为风轮直径；H为风轮高度；k为诱导因子；Cn为法向力系数，Ct为切向力系数。本文详细阐述了动量一叶素理论，并分析了修正的动量一叶素理论；介绍了垂直轴风力机的空气动力学设计理论中垂直轴风力机的多流管和双向多流管理论模型，为后续的叶片气动性能计算提供了理论依据28。第3章 数值模拟及分析结果3.1 NACA0015翼型建模对NACA4系列翼型进行流场模拟分析。已知四位数字翼型的含义分别为:NACA XYZZ: X一相对弯度，Y一最大弯度位置，ZZ一相对厚度；以NACA0015 翼型为例，（1）利用Gambit软件建模。首先，创建节点，连线，建面，得到叶片模型如图3-1。然后，构建外部流场如图3-2，再对其进行网格划分如图3-3。最后设置边界条件如图3-4，流动区域左边为AC边，边界类型为Velocity-inlet，流动区域右边为BD边，边界类型为Pressure-outlet叶片的边线边界类型为Wall（2）利用FLUENT软件进行数值分析。图3-5是NACA0015 翼型在FLUENT软件中进行分析的边界条件，图3-6为残差图。数据提取结果如下文中所示。（1） Gambit建模图3-1 NACA0015叶片模型图3-2 创建流动区域 图3-3 NACA0015叶片模型的网格划分图3-4 边界条件（2） FLUENT分析图3-5 边界条件图3-6 残差图3.2雷诺数对气动特性的影响垂直轴风力机工作时，雷诺数一般低于5105。因此，本节将以NACA0015 翼型作为研究对象，对雷诺数在0.5105到1105范围内变化时，NACA0015 翼型在攻角为-30到30时的气动性能进行数值计算，研究雷诺数对垂直轴风力机翼型的升力特性、阻力特性、最大升力系数等气动特性的影响。（1） 雷诺数对翼型升阻特性的影响 图3-7、图3-8 分别是NACA0015 翼型的升力系数，阻力系数随雷诺数的变化曲线。NACA0015 翼型是对称翼型，在正负攻角下具有对称的气动特性曲线。由图3-7和图3-8 知，翼型升力系数失速前呈线性上升趋势，失速后逐渐下降。阻力系数失速前变化缓慢，失速后急剧增大。雷诺数增加使翼型在低阻力系数区域具有更高的升力系数。雷诺数越高，翼型在非失速攻角区域的升阻比也越高。这是由于雷诺数增加使翼型表面边界层空气气流的粘性减小，使升力系数增加而阻力系数减小，因而升阻比增加。从图3-7 和图3-8 中还可以看到，翼型在不同雷诺数下升力系数之间的差值和阻力系数之间的差值不同。雷诺数小于1105时，升力系数曲线和阻力系数曲线随雷诺数的变化较大，而后随着雷诺数的继续增大，升力系数增大的趋势和阻力系数减小的趋势变得不明显。这表明，雷诺数越高，雷诺数变化所引起的升力系数和阻力系数的变化越小。图3-7 不同雷诺数下的升力系数曲线、图3-8 不同雷诺数下的阻力系数曲线（2） 雷诺数对翼型失速特性的影响图3-10 和图3-11 分别是NACA0015 翼型在雷诺数变化范围0.5105到1105时对应的失速攻角和最大升力系数。从图中可以看到，翼型的失速攻角和最大升力系数均随雷诺数的增大而增大。这表明，雷诺数越高，在失速前翼型可以产生更大的升力，垂直轴风力机的风轮所能获得最大驱动力矩也更大。图3-10 不同雷诺数下翼型的失速攻角图3-11 不同雷诺数下翼型的最大升力系数3.3 厚度对气动特性的影响翼型厚度是影响翼型气动性能的主要几何参数之一 ，NACA0012 ，NACA0015，NACA0018，NACA0020 翼型均为零弯度翼型，它们的相对厚度分别为：0.12，0.15，0.18，0.2，其几何外形如图3-12 所示。本节将以这四种翼型作为研究对象，对这些翼型在雷诺数为1105，攻角为-30到30时的气动性能进行数值计算，研究厚度对垂直轴风力机翼型的升力特性、阻力特性、最大升力系数等气动特性的影响。YX图3-12 NACA0012,NACA0015,NACA0018,NACA0020翼型几何外形（1）翼型厚度对翼型升阻特性的影响图3-13，图3-14 和图3-15 分别是NACA0012，NACA0015，NACA0018，NACA0020 翼型在雷诺数为1105时的升力系数曲线，阻力系数曲线和升力阻力系数曲线图。由图3-13 和图3-14 知，翼型厚度不变，攻角较小时（10），翼型厚度的增大对升力系数和阻力系数的影响较小；攻角较大时（10），增大翼型厚度使升力系数和阻力系数同时增大。由图3-15 知，厚度大的翼型在低阻力系数区域能达到更大的最大升力系数，具有更大的升阻比。考察图3-13 和图3-14 攻角超过10后升力系数和阻力系数曲线，当翼型的厚度由0.12增大至0.15时，升力系数增幅明显，阻力系数略有增大；当翼型的厚度由 0.15增大至 0.18以及由0.18增大至0.2时，升力系数增幅减小，而阻力系数增幅变大，在图3-15 中也可以观察到类似的变化趋势。翼型厚度增大使翼型上翼面的弯曲程度增大，从而导致空气气流流过上翼面时流速增大更多，升力也相应更大。但当厚度增大至一定程度时，升力系数不再有明显的增大而阻力系数却增大很多。合理选择翼型的厚度，是提高翼型气动性能的关键。本节的数值模拟结果表明，厚度在0.15至0.18的翼型具有比较好的升阻特性。图3-13 不同厚度翼型的升力系数曲线图3-14 不同厚度翼型的阻力系数曲线阻力系数Cd升力系数Cl图3-15 不同厚度翼型的升力阻力系数曲线（2）翼型厚度对翼型失速特性的影响图3-16 和图3-17 分别是四种厚度（0.12，0.15，0.18，0.2）翼型在雷诺数为1105时的失速攻角和最大升力系数。从图中可以看到，翼型的失速攻角和最大升力系数均随翼型厚度的增大而增大，最大升力系数的增幅随厚度增加逐渐变小。这表明，增大翼型的厚度可以延迟翼型失速，使翼型在失速前产生更大的升力，从而为垂直轴风力机的风轮提供更大的驱动力矩。图3-16 不同厚度翼型的失速攻角图3-17 不同厚度翼型的最大升力系数3.4弯度对气动特性的影响 翼型弯度是影响翼型气动性能的主要几何参数之一 ，NACA0015 ，NACA2415，NACA4415，NACA6415 翼型29的相对厚度均为0.15，它们相对弯度分别为：0，0.02，0.04，0.06，翼型的几何外形如图3-18 所示。本节将以这四种翼型作为研究对象，对这些翼型在雷诺数为1105，攻角为-30到30时的气动性能进行数值计算，研究弯度对垂直轴风力机翼型的升力特性、阻力特性、最大升力系数等气动特性的影响。YX图3-18 NACA0015,NACA2415,NACA4415,NACA6415翼型几何外形（1）翼型弯度对翼型升阻特性的影响图3-19，图3-20 和图3-21 分别是NACA0015，NACA2415，NACA4415，NACA6415 翼型在雷诺数为1105时的升力系数曲线，阻力系数曲线和升力阻力系数曲线图。从曲线图中可以看到，与前文研究过的对称翼型（即零弯度翼型）不同，非对称翼型处于正负攻角状态时的气动特性曲线有一定的差异。由图3-19可知，对有弯度的翼型，正攻角状态时的升力系数要大于对应的负攻角状态时的升力系数，正攻角状态时的升力系数要小于对应的负攻角状态时的阻力系数。当翼型处于正攻角状态时，保持翼型的厚度不变而增大翼型的弯度能有效提高翼型的升力系数，弯度越大的翼型升力系数越大；当翼型处于负攻角状态时，保持翼型厚度不变而增大翼型的弯度并不能提高翼型的升力系数，相反，弯度越大的翼型升力系数越小。由图3-20 知，当翼型处于正攻角状态时，翼型弯度的变化对阻力系数的影响较小；当翼型处于负攻角状态时，翼型的弯度越大，同一攻角下翼型的阻力系数越大。由图3-21 知，弯度大的翼型若处于正攻角状态时，在低阻力系数区域能达到更大的最大升力系数，因而具有更大的升阻比；弯度大的翼型若处于负攻角状态时，在低阻力系数区域所能达到的最大升力系数更小，因而升阻比也更小。总体上讲，弯度增大越多，翼型在低阻力系数区域的升阻比提高越不明显。由于翼型具有弯度后即为非对称翼型，改变翼型的弯度会使翼型上下翼面几何形状变化不同，导致翼型在正负攻角下的气动性能变化也不同。如果翼型处于正攻角状态，上翼面弯曲程度越大越有助于提高翼型的升力系数。而翼型如果处在负攻角状态，上翼面的弯曲程度越大，空气气流流过翼型时受到的阻力也越大，导致翼型的升力系数减小阻力系数增大。本节的数值模拟结果表明，在翼型厚度保持不变的情况下，在一定范围内增大翼型的弯度可以提高翼型在正攻角状态时的气动性能，但在负攻角状态时的气动性能有所降低。因此，垂直轴风力机叶片的翼