浓缩风能装置流场仿真与结构优化

【摘要】：浓缩风能型风力发电机组是使自然风通过浓缩风能装置将稀薄的、非稳定的风能浓缩加速、整流和均匀化后驱动风轮旋转发电的一种风力发电设备,它主要由浓缩风能装置、发电机、风轮、尾翼、回转体、塔架等部件组成。其中浓缩风能装置是该种机组的主要部件之一,它的结构直接影响了机组输出功率的大小。该装置主要由三段组成,前段为收缩管,中段为中央圆筒,后段为扩散管。低密度和高湍流度的流体通过装置时,流体被加速、整流和均匀化后得到高品质的流体,然后驱动风轮旋转发电,得到高质量的电能。为了提高浓缩风能装置的浓缩效率,以浓缩风能装置为研究对象,应用三维建模软件和CFD软件分别建立几何模型与网格模型,应用FLUENT进行数值模拟,主要进行了以下工作。(1)验证应用于浓缩风能装置内部流场数值模拟方法的可行性。对文献中与浓缩风能装置有相似结构的聚风装置建立几何模型和网格模型,对其内部流场进行仿真分析,将数值模拟结果与它的实验结果进行对比分析。结果表明：数值模拟结果与实验结果两者有较好的吻合性,由此验证了研究中应用的数值模拟方法具有可行性；(2)研究不同的湍流模型对浓缩风能装置内部流场特性的影响。对浓缩风能装置建立几何模型和网格模型,采用相同的数值模拟方法,选择Spalart-Allmaras模型、标准k-ε模型、标准k一ω模型和雷诺应力模型(RSM)这四种湍流模型进行浓缩风能装置内部的流场仿真分析。结果表明：标准k-ω模型更适用于浓缩风能装置内部流场的数值模拟；(3)研究浓缩风能装置结构的不同几何参数对其内部流场的影响。分别对不同的收缩角度、扩散角度和中央圆筒长度的浓缩风能装置内部流场进行仿真分析。结果表明：扩散角度的大小对内部流场特性的影响最大,当扩散角度为80°且保持扩散管长度为原设计值322mm时,内部流场有最大的流速26.16m/s；(4)研究不同的来流风速对浓缩风能装置内部流场的影响。在不同的来流风速下,对一个有较好流场特性的浓缩风能装置模型进行内部流场特性仿真分析。结果表明,流场的最大流速与来流风速的大小成线性关系。 【关键词】：浓缩风能装置 流场 湍流模型 数值模拟 几何参数
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 选题背景10-16
• 1.1.1 中小型风力发电机组行业现状及发展趋势11-12
• 1.1.2 浓缩风能型风力发电机组研究现状12-14
• 1.1.3 聚风装置研究现状14-16
• 1.2 选题意义16-17
• 1.3 论文结构与研究技术路线17-19
• 1.3.1 论文结构17
• 1.3.2 研究技术路线17-19
• 第2章 浓缩风能理论与CFD数值模拟的理论基础19-29
• 2.1 浓缩风能理论基础19-21
• 2.1.1 浓缩风能理论基本思想19
• 2.1.2 浓缩风能理论分析19-21
• 2.2 CFD数值模拟的理论基础21-28
• 2.2.1 计算流体力学概述21
• 2.2.2 计算流体力学应用的一般流程21-22
• 2.2.3 流体流动的控制方程22-24
• 2.2.4 湍流模型24-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 聚风装置的流场仿真与实验对比29-36
• 3.1 概述29
• 3.2 聚风装置内部流场仿真29-35
• 3.2.1 几何模型29-30
• 3.2.2 物理模型和数学模型30-31
• 3.2.3 计算域31
• 3.2.4 模型网格划分31
• 3.2.5 边界条件31-32
• 3.2.6 网格无关性32-33
• 3.2.7 不同网格数对实验结果的影响33-35
• 3.3 本章小结35-36
• 第4章 湍流模型对浓缩风能装置流场的影响36-46
• 4.1 概述36
• 4.2 浓缩风能装置流场仿真与结果分析36-45
• 4.2.1 几何模型36-37
• 4.2.2 物理模型和数学模型37
• 4.2.3 计算域的确定37
• 4.2.4 模型网格划分37-38
• 4.2.5 边界条件确定38
• 4.2.6 网格无关性38-40
• 4.2.7 仿真结果可靠性分析40-41
• 4.2.8 不同湍流模型下的流场仿真与结果分析41-45
• 4.8 本章小结45-46
• 第5章 几何参数对浓缩风能装置流场的影响46-55
• 5.1 概述46
• 5.2 几何参数对浓缩风能装置流场的影响46-52
• 5.2.1 收缩角与扩散角对流场分布的影响46-51
• 5.2.2 中央圆筒长度对流场分布的影响51-52
• 5.3 算例分析52-54
• 5.4 本章小结54-55
• 第6章 总结与展望55-57
• 6.1 总结55
• 6.2 创新点55
• 6.3 展望55-57
• 参考文献57-61
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文61-62
• 致谢62

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