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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1、分类号学号M201271097学校代码10487密级硕士学位论文对大气边界层内传统叶片(NACA4418)及马格努斯型Chiral叶片的性能研究学位申请人：黄佳学科专业：新能源科学与工程指导教师：王坤副教授鲁录义讲师答辩日期：2015年5月21日AThesisSubmittedinPartialofFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringInvestigationonthePerformanceofClassicalBlade

2、(NACA4418)andMagnusEffectBasedChiralBladeinPlanetaryBoundaryLayerCandidate:HuangJiaMajor:NewEnergyScienceandEngineeringSupervisor:Assoc.Prof.WangKunLecturerLuLuyiHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下

3、进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印

4、、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打―√‖）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要目前，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

5、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（bladeelementmomentum,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

6、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

7、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。关键词：大气边界层马格努斯效应数值模拟叶片微元动量（BEM）理论传统叶片I华中科技大学硕士学位论文ABSTRACTNowadays,mostoftheHorizontalAxisWindTurbines(HAWTs)aredesignedundertheimplicithyp

8、othesisofauniformincomingflow.SuchhypothesisisfarfromrelevantwhenimmersingHAWTsinPlanetaryBoundaryLayer(PBL)offewhundredmeters’height.Duetotheviscosityandterrainroughness,thereisalargewindgradientneargroundin