风力机叶片表面粗糙度对其气动性能的影响研究

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1、学校代码10530学号201330071605分类号TH123密级公开硕士学位论文风力机叶片表面粗糙度对其气动性能的影响研究学位申请人曹宏远指导教师龚曙光教授学院名称机械工程学院学科专业动力工程及工程热物理研究方向装备结构CAE分析及优化二〇一八年六月七日ResearchontheEffectofSurfaceRoughnessofWindTurbineBladeonAerodynamicPerformanceCandidateCAOHongyuanSupervisorProf.GONGShuguangC

2、ollegeSchoolofMechanicalEngineeringProgramPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsSpecializationCAE&OptimizationofEquipmentStructureDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune7,2018摘要摘要风力机长期在自然环境中运行，叶片表面受到各种环境因素的影响，引起粗糙度的变化，导致叶片性能下降和风

3、力机效率降低。本文针对表面粗糙度对叶片气动性能的影响，结合数值模拟和风洞实验开展了研究工作。本文选取了同系列的三种翼型NACA4412，NACA4415，NACA4418，参照实际运行中的叶片表面粗糙度情况，设计了5种粗糙模型，包括均布粗糙度，矩形凸台，双矩形凸台，圆弧形凸台，凹陷模型，在ICEM中完成建模及网格划分。采用Fluent软件分析了各个粗糙模型的流场仿真模型，探讨粗糙度的安装位置，分布形式和尺寸大小对气动性能的影响规律，另外，分析了雷诺数对粗糙度敏感性的影响。选定在10m/s风速，-6o~13

4、o攻角，得到各个模型的升力系数，阻力系数和升阻比，分析发现：粗糙高度在0-1mm时导致性能下降剧烈，高度大于1mm时影响减弱，凸台在前缘时导致性能下降最大，离前缘越远影响越小，双凸台随间距的增大作用减小，圆弧凸台在最大厚度靠近前缘时作用较大，凹陷在前缘吸力面时影响最大，深度的增加影响较小。在各个粗糙模型下，攻角增加会加大粗糙度的影响，而雷诺数的增大会降低粗糙度敏感性。制作了NACA4415叶片模型进行风洞实验，参照数值模拟中的粗糙模型，进行了矩形凸台，双矩形凸台和圆弧形凸台模型的实验，与数值计算的结果对比

5、，整体趋势相同，误差较小，实验测得的升力系数稍小，而阻力系数稍大，实验验证了数值模拟粗糙度具有一定的可靠性。相较于传统的粗糙模型，5种模型很好的反映了粗糙度对气动性能的影响规律。本文的工作结合了数值模拟与实验，粗糙度的模拟应用了多种模型，得到各个条件下定性的结果，为风力机叶片的粗糙度影响研究提供了有效方法，为叶片的设计和运行维护提供了一定的参考价值。关键词：风力机；叶片；翼型；气动性能；粗糙度；风洞实验。IAbstractAbstractWindturbinesoperateinthenaturalenv

6、ironmentforalongtime,andthesurfaceofthebladesisaffectedbyvariousenvironmentalfactors,causingchangesinroughness,resultingindecreasedbladeperformanceandreducedwindturbineefficiency.Inthispaper,theeffectofsurfaceroughnessonbladeaerodynamicperformanceisstudie

7、d,andnumericalsimulationandwindtunnelexperimentsarecarriedout.Inthispaper,threeairfoilsofthesameseriesareselected,whichareNACA4412,NACA4415,NACA4418.Basedonthesurfaceroughnessofthebladesinactualoperation,fivekindsofroughmodelsaredesigned,includinguniformr

8、oughness,rectangularstrip,doublerectangularstrips,arc-shapedstripandpitmodel.TheroughmodelismodeledandmeshedinICEM.TheflowfieldsimulationmodelofeachroughmodelwasanalyzedbyFluentsoftware.Theinfluenceofinstallationpos