某型风力涡轮波瓣混合器气动设计与数值研究

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1、国内图书分类号：TK261学校代码：10213国际图书分类号：621.1密级：公开工学硕士学位论文某型风力涡轮波瓣混合器气动设计与数值研究硕士研究生：张志鹏导师：韩万金教授申请学位：工学硕士学科：动力工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2015年6月30日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK261U.D.C:621.1DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringAERODYNAMICDESIGNANDPERFORMANCEANALYSISOFLOB

2、EDEJECTORINWINDTURBINESCandidate：ZhangZhipengSupervisor：Prof.HanWanjinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerMachinery&EngineeringAffiliation：EnergyScience&EngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechno

3、logy哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要能源是人类生存和社会进步的基础。风能利用可以实现能源的可持续供应。在目前的设计中，商用风力机所能利用的风能一般为高速风能。而在全国的大部分区域，平均风速在2-6m/s范围内变化。设计一种在低风速条件下具有较高风能利用率的风力机成为目前研究的重点。本文使用波瓣混合器配合单级涡轮的方案来探讨低速风力机的新型设计方法。首先，采用参数化建模的方法，对低速风力机内的波瓣结构进行建模。之后，通过ANSYSCFX数值模拟结果，分析流场中内外涵气流的速度分布和流场中存在的旋涡结构及其相互作用。最后

4、，为了对波瓣原型结构进行优化设计，建立了多元非线性回归分析模型，获得了具有优良掺混特性的波瓣几何结构。数值模拟结果表明，在波瓣混合器下游流场中存在两类不同的旋涡结构，即内外涵气流径向压力梯度诱导产生的流向涡和内外涵气流速度差产生的K-H扰动诱导产生的正交涡。在靠近波瓣尾缘的下游区域，流向涡和正交涡进一步发展，影响范围逐渐扩大，涡量降低。然后，在Z=0.3m位置处流向涡带发生偏转，高涡量区下移，且在靠近外涵道出口处分叉；正交涡由于受到流向涡的卷吸和合并，在流场下游Z=0.45m位置处断裂为波峰段和波谷段。正交涡的波谷段发生偏

5、移，进而与相邻波瓣诱导产生的正交涡发生相互作用；波峰段与波谷段两端合并并向中间收缩，最终在Z=5.0m位置处与远场气流完全掺混。流向涡与正交涡的相互作用促进了内外涵气流的快速掺混。从动叶出口不同叶高处的压力变化可以看出，波瓣混合器增强了内外涵流体间的掺混，降低了动叶的出口背压，增加了内涵气流的焓降，提升了来流气体的做功能力，进而提高了该型低速风力机的风能利用率。利用非线性回归分析方法，本文选择了具有最高风能利用率的优化结构。通过分析偏离设计工况时波瓣优化结构的气动特性，验证了该低速风力机所具有的优良特性。结果表明，在最佳叶

6、尖速比时，本文中的风力机的动叶扭矩与进口风速的平方成正比，风力机功率与进口风速的立方成正比。在偏离设计工况±15%范围内，风能利用率只下降3.3%。关键词：波瓣混合器；风能利用率；流向涡；正交涡；低速风力机-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractEnergyisthefoundationofhumansurvivalandsocialprogress.Windenergycanberegardedasoneoftheimportantsustainableenergy.Inthecurrent,thewinde

7、nergyusedbycommercialfansisonlyhighspeedwindenergy.However,thewindspeedchangesintherangeof2-6m/sinmostregionsofChina.Itattractsmuchattentiononhowtodesignakindoflowspeedwindturbinewithhigherwindenergyutilizationefficiency.Thispaperdevelopedthedesignoflowspeedwindtu

8、rbineconsistingoflobedejectorandsinglestageturbine.Theparameterizeddesignof3Dmodelinghadbeenusedtodiscussthestructuraloptimizationmethodoflobedejector.T