对大气边界层内传统叶片(NACA4418)及马格努斯型Chiral叶片的性能研究

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目前，大多数水平轴风力机是依据水平均匀来流的假设来设计的。然而，当大规模水平轴风力机置于几百米高的大气层时这样的假设是不太合理的。由于地面粘度和地形粗糙度的存在，靠近地面的大气边界层处存在较大的风力梯度，该梯度作用于叶片上将产生叶片的转矩和俯仰力矩的变化，从而导致输出功率的减少。
　　本文提出了一种基于马格努斯效应的风能叶片的新构型——Chiral叶片，目的是研究Chiral叶片在大气边界层内产生升力以及提高输出功率的可能性。在整个研究中，NACA4418将被选择作为传统叶片的参考模型，Chiral叶片将被简化为自旋的圆筒。该研究将包括两个独立的部分：（1）量化由于在大气边界层内部使用传统叶片而产生功率损失的比例，（2）估量当以Chiral叶片代替传统叶片的增益效率。首先，本文应用叶片微元动量理论（blade element momentum，BEM）建立叶片气动性能计算模型，基于该模型编制Python语言程序设计出传统叶片几何模型，再利用EXCEL计算大气边界层内传统叶片的功率损失，然后通过假定每个传统叶片叶素可工作在最佳升力状态，我们设计出一种等效的优化叶片（Chiral叶片）并与之前的传统叶片进行比较。为了获得更精确的结果，我们将使用计算流体力学（CFD）软件FLUENT来模拟伪旋转状态，即在大气边界层内的叶片绕轴的转动将通过简单地改变入射相对风速的设置来模拟，以比较这两种情况。
　　结果显示，在BEM计算结果中，由于大气边界层的影响传统叶片效率损失大概为10％，而在以Chiral叶片代之时效率增益达到近70％。在数值模拟结果中，传统叶片效率的损失估计为4?5％，而在以Chiral叶片代之时效率增益达到约60％。因此，相比传统叶片NACA4418而言，Chiral叶片具有在大气边界层内提高输出功率的优势，这对于未来的新型风力机叶片设计具有重要的意义。

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作者
黄佳;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科新能源科学与工程
授予学位硕士
导师姓名王坤,鲁录义;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TK831.3;
关键词
大气边界层; 传统叶片; Chiral叶片; 数值模拟; 水平轴风力机;

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