论文总字数：31453字

摘 要

风力发电机中，叶片设计的好坏直接影响风能转换效率，直接影响它的年发电量，这是风能利用中很重要的一环。而翼型是叶片的气动外形，对叶片利用风能的效率影响很大。风力发电机的运行效率与设计的叶片的空气动力性能有关，其中包括叶片的长度、翼型的选用、沿纵向翼型的分布情况和安装角的选择。翼型空气动力性能的好坏对风力机的性能影响极大，翼型的形状也影响了叶片的主体结构形式。在设计风力发电机叶片翼型参数的过程当中，每个参数的变化都会对其余参数产生影响。在选择翼型参数的过程中应该尽量使单位叶素达到最大的功率利用系数。

本文目的是了解风力机气动性能国内外研究现状以及存在的问题，针对典型翼型，建立其Fluent气动性能计算模型，分析各影响因素对气动性能的影响规律。本文将选取一三维叶片，针对其中选用的二维翼型导出翼型划分网格，用Fluent分析他们的气动性能。然后对三维叶片进行气动性能分析并与二维翼型的气动性能进行对比，以发现二维与三维翼型气动性能分析之间的区别与联系。

关键词：风力机，叶片，气动特性，数值模拟

Numerical simulation of aerodynamic characteristics of wind turbine blades

Abstract

In the wind turbine, the design of the blade directly affects the conversion efficiency of wind energy, which is an important part of wind energy utilization. Airfoil as the aerodynamic shape of the blade, directly affect the utilization of wind energy. The operating efficiency of the wind turbine is directly related to the aerodynamic design of the blade, including the blade length, airfoil, distribution and installation angle along the longitudinal profile. The aerodynamic performance of the airfoil has a direct impact on the performance of the wind turbine, and the shape of the airfoil also affects the main structure of the blade. In the design process of the wind turbine blade airfoil parameters, the variation of each parameter will influence the design of other parameters. The design should be based on the principle that the unit leaf element has the maximum power utilization factor.

The purpose of this thesis is to study the aerodynamic performance of the domestic and foreign research present situation and existing problems, aiming at the typical airfoil, establish the Fluent model for aerodynamic performance, analysis of various factors affecting on aerodynamic performance. In this thesis, a three dimensional blade was selected, the two dimensional airfoil was used to divide into a grid, and the aerodynamic performance of the airfoil is analyzed by Fluent. Then the aerodynamic performance of the three dimensional blades is analyzed and compared with the aerodynamic performance of the two dimensional airfoil to find the difference and connection between two dimensional and three dimensional aerodynamic performance analysis.

Key words: wind turbine, blade, aerodynamic characteristics, numerical simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 引言 1

1.1研究背景 1

1.2研究现状 3

1.3研究目标 5

第2章 二维翼型气动性能分析 6

2.1本章引论 6

2.1.1升力系数 7

2.1.2阻力系数 7

2.2风力机空气动力学 8

2.2.1贝茨理论 8

2.2.2涡流理论 10

2.2.3叶素理论 11

2.2.4动量理论 13

2.2.5动量—叶素理论 14

2.3计算模型 15

2.3.1k-ω模型（2equ）： 15

2.3.2剪切压力传输（SST）k-ω模型（2equ）： 16

2.3.3SA湍流模型 17

2.4 翼型导入及区域网格划分 18

2.5边界条件 22

2.6结果分析 24

第3章 三维翼型气动性能分析 27

3.1本章引论 27

3.2三维翼型的建立 28

3.3三维翼型气动性能分析 31

第4章 气动性能对比分析 32

4.1本章引论 32

4.2对比分析 32

4.3结论 33

第5章 总结与展望 34

参考文献： 35

附录 翼型数据（单位弦长） 39

致谢 48

第1章 引言

1.1研究背景

经过一百多年的开采利用，地球上的化石燃料已经日益枯竭，并且这么多年的使用带来了严重的环境污染，开发和利用新能源已经成为人们的共识。中国的人数众多一直是个严重的问题，据最新的统计，中国的人数大约是全球总人数的五分之一，虽然我国地大物博，上述的煤炭等资源总量占世界总含量的18%，但是分配到每个人头上，每个国人拥有的资源含量甚至还不到外国平均占有量的一半，所以能源问题迫切需要我们解决。风能就是几个最有前景的新能源之一，与传统能源相比，风能和其他新能源一样，清洁、安全、可再生。和其余可再生能源相比，风能目前技术最成熟，具有最好的商业应用价值^[1]。风能不仅蕴藏量巨大、而且分布范围广，即使是交通欠发达甚至是情况糟糕的地方也有很多的风能资源。由于风力发电设备的加工发展相对技术含量较低，只要人多，即使是发展中国家也能大量制造，这就提供了大量的就业机会，不但解决了发展中国家的能源问题，而且还解决了人口众多国家的就业问题，并且因为风力机发电时不产生二氧化碳，所以可以有效改善当地的温室效应，因此人类对开发利用风能越来越重视。风能蕴含量巨大，全球的风能约为 kW,其中有kW可供利用，是地球上可开发利用的水能总量的10倍还多^[2]。中国陆上风能资源总储量居世界第一 ^[3],是名副其实的风能大国，更应该加快发展风能。

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