風(fēng)能作為一種清潔無(wú)污染的可再生能源受到人們青睞,風(fēng)力機(jī)的研究與發(fā)展對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有積極的意義。本文以可在城市使用的小型風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,利用修正系數(shù)的方法改進(jìn)葉片的外形參數(shù),以此提高風(fēng)力機(jī)的整體氣動(dòng)性能。本文以Wilson理論為基礎(chǔ),基于葉素動(dòng)量修正理論,建立風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)的理論模型。選擇適用于中低速風(fēng)況下的NACA63-215翼型,依據(jù)風(fēng)能利用系數(shù)局部最優(yōu)原則,通過(guò)Matlab等軟件進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算,得到葉片不同半徑處的誘導(dǎo)因子,利用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法獲得了葉片的弦長(zhǎng)、扭角,建立3-8葉片6種不同風(fēng)力機(jī)葉片的實(shí)體模型。葉片的外形參數(shù)得到優(yōu)化,提高了風(fēng)力機(jī)的輸出功率與葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。以NACA63-215翼型作為葉片設(shè)計(jì)的原始翼型,并采用數(shù)值計(jì)算的方法分析各種湍流模型、雷諾數(shù)、葉片攻角、相對(duì)厚度等因素對(duì)翼型氣動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明:在小型風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行工況下,S-A湍流模型所得結(jié)果與文獻(xiàn)所提供的結(jié)果更為吻合。同時(shí)發(fā)現(xiàn),受攻角影響風(fēng)力機(jī)翼型的流場(chǎng)會(huì)發(fā)生明顯變化,攻角為0°時(shí),翼型的上下表面的速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)呈對(duì)稱分布;攻角為8°時(shí),翼型前段出現(xiàn)明顯的負(fù)壓區(qū)域,翼型下表面壓強(qiáng)高于上表面;攻角為16... 

【文章來(lái)源】：青島科技大學(xué)山東省

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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全球能源利用發(fā)展趨勢(shì)

青島科技大學(xué)研究生學(xué)位論文3圖1-22019-2023年亞洲風(fēng)電年新增裝機(jī)容量預(yù)測(cè)（GW）Fig.1-2ForecastofNewlyInstalledCapacityofAsianWindPowerin2019-2023(GW)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展，成為最環(huán)保、高效的綠色能源之一。目前亞洲是世界上最大的風(fēng)力發(fā)電市常2008-2018年，中國(guó)連續(xù)10年新增加裝機(jī)量保持世界第一。截至2018年，中國(guó)新增裝機(jī)量為21.2GW，占全球的45%。根據(jù)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的預(yù)測(cè)，2020年底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量會(huì)達(dá)到1.2×108KW。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，使得各項(xiàng)相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高，風(fēng)電企業(yè)的盈利能力與競(jìng)爭(zhēng)力得到大幅度提高。主要是由于最近幾年火力發(fā)電成本的增加，風(fēng)力發(fā)電具有很大的競(jìng)爭(zhēng)力。2030年之后水能資源開(kāi)發(fā)基本完成，海上風(fēng)力發(fā)電將進(jìn)入黃金時(shí)期。從圖1-2可以看出，在未來(lái)中國(guó)依然是世界最大的風(fēng)場(chǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于印度和其它亞太地區(qū)。我國(guó)有廣闊的陸地面積，風(fēng)能資源的分布十分廣泛，近地面風(fēng)能總儲(chǔ)存量為32×108kW，風(fēng)力發(fā)電量的理論值為223×108kWh，可利用風(fēng)能2.53×108kW，平均的風(fēng)能密度為100W/m2[5-6],尤其在我國(guó)的西北地區(qū)、東北地區(qū)風(fēng)能資源更為豐富。在可持續(xù)發(fā)展政策的引領(lǐng)下，風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)會(huì)有更廣闊的發(fā)展空間。1.2國(guó)內(nèi)外風(fēng)力機(jī)研究現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)能作用于葉輪，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)內(nèi)部線圈做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電能并儲(chǔ)存在裝置中。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的種類也是多樣的，按照風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量劃分：小型、中型、大型、特大型風(fēng)力機(jī)；按照風(fēng)輪的類型：水平軸風(fēng)力機(jī)與垂直軸風(fēng)力機(jī)；按照能源利用的形式：陸地風(fēng)力發(fā)電和海上風(fēng)力發(fā)電[7]。風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式一般分為3種：（1）獨(dú)立運(yùn)行方式，主要是一臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電并儲(chǔ)存在蓄電池中，供家庭使用。

小型風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)及流固耦合分析102小型風(fēng)力機(jī)葉片的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，葉片是風(fēng)力機(jī)研究的關(guān)鍵部分，葉片的設(shè)計(jì)與制造會(huì)影響風(fēng)輪的氣動(dòng)效率。理論模型的選擇與參數(shù)的計(jì)算會(huì)直接決定風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功率系數(shù)。風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)理論模型的研究越來(lái)越普遍，在風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較廣泛的模型有簡(jiǎn)化風(fēng)車?yán)碚撃Ｐ�、葛勞渦漩渦流理論模型、Wilson理論模型等。其中Wilson理論模型能夠綜合考慮葉尖、葉根的損失系數(shù)，與其它理論模型相比，能夠較為精確的反映葉片的運(yùn)行狀態(tài)。Wilson理論模型中主要包含貝茲理論、動(dòng)量理論、葉素理論、渦流理論四種基本的理論。本文以Wilson理論為基礎(chǔ)，考慮到氣流通過(guò)風(fēng)輪后的實(shí)際狀態(tài)，基于葉素動(dòng)量理論系數(shù)修正，設(shè)計(jì)多種小型風(fēng)力機(jī)葉片模型。2.1風(fēng)力機(jī)機(jī)葉片設(shè)計(jì)基本理論2.1.1貝茲理論貝茲理論用來(lái)計(jì)算風(fēng)力葉輪能量轉(zhuǎn)換效率的重要理論，貝茲理論是一種理想模型。在這個(gè)過(guò)程中將風(fēng)輪視為一個(gè)葉片數(shù)目無(wú)窮多的圓盤(pán)。同時(shí)不考慮空氣的流動(dòng)阻力和摩檫力，僅考慮氣流經(jīng)過(guò)風(fēng)輪的軸向速度。圖2-1貝茨理論原理圖Fig.2-1Batestheoryprinciplediagram圖2-1所示簡(jiǎn)化為單向流體通道，風(fēng)輪左側(cè)為氣流的來(lái)流方向，其流動(dòng)速度為V1,氣流通過(guò)風(fēng)輪后其速度為V，而在風(fēng)輪右側(cè)氣流速度為V2，氣流在風(fēng)輪左側(cè)來(lái)流方向截面積為S1，風(fēng)輪的橫掠面積為S，氣流在風(fēng)輪下游截面處面積為S2。由于風(fēng)輪對(duì)氣流有阻礙作用，風(fēng)輪前后的速度明顯不同，其中V1高于V2，S1低于S2。將空氣視為不可壓縮氣體，氣流作用在風(fēng)輪表面的力：)(21VVSVF（2-1）


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