基于MATLAB的小型风力机设计及其外流特性分析_毕业论文.pdf

随着能源危机和环境污染问题的日益严峻，开发新型可再生能源技术成为全球关注的焦点。风力发电作为一种清洁、无尽的能源供应方式，其设计与优化工作越来越受到重视。本文借助MATLAB强大的数学计算功能，结合传统风力机设计方法和计算流体动力学（CFD）优化技术，提出了一套完整的小型风力机设计和外流特性分析方法。 一、小型风力机叶片设计方法的研究 风力机叶片的设计是整个风力发电系统的核心，其性能直接关系到风力机的能效比和成本效益。在风力机叶片设计中，Glaurt设计法和Wilson设计法是最为常用的两种方法。Wilson设计法相比于Glaurt设计法，更细致地考虑了叶尖损失的影响，使得设计出的叶片更为高效。本研究通过对比分析，选取了Wilson设计法作为基础，详细阐述了其基本设计思路，并将求解过程编写成MATLAB程序，实现了叶片设计的自动化。 MATLAB语言在此过程中发挥了重要作用，其编程简洁、易读且具有强大的数值计算能力，使得叶片设计从繁琐的手工计算中解放出来。该程序不仅能够快速生成三维叶片模型数据，而且可以轻松调整设计参数，以适应不同风速、风向条件下的风力机叶片设计。 二、小型风力机外流特性的数值模拟分析 外流特性直接关系到风力机的效率和运行稳定性，因此准确预测和分析其外流特性至关重要。本研究采用FLUENT商业软件，对三叶片10KW小型风力机机外流场进行了单流道三维定常数值模拟。模拟结果详细展现了外流场的速度、压力等分布情况，并据此对外部性能进行了预测。 通过将数值模拟预测结果与实验数据进行对比分析，发现预测误差在5%以内，从而验证了所用数值模拟方法的可行性。数值模拟不仅可以预测风力机的性能，还为风力机的设计优化提供了理论依据。 三、小型风力机效率特点及叶片表面压力系数的分析 为了进一步提升风力机的运行效率，本研究对小型风力机的效率特点进行了详细分析，确定了风力机的最佳运行范围。此外，通过对叶片表面压力特征的深入研究，揭示了叶片表面压力系数分布规律，为风力机叶片的设计提供了理论指导。 叶片表面压力系数的分析结果还表明，风力机叶片在不同工况下表现出不同的失速特点。本研究通过分析叶片截面速度矢量图，揭示了失速现象的内在原因，为风力机叶片设计的改进提供了重要参考。 四、结论与展望 本文通过结合传统设计方法和CFD优化技术，在MATLAB环境下建立了小型风力机设计分析系统。研究不仅对叶片设计进行了优化，而且对外流特性进行了准确的数值模拟分析，并对风力机的效率特点及叶片表面压力系数分布进行了深入研究。 研究结果表明，所提出的基于MATLAB的设计和分析方法能够有效提高风力机的设计效率，并为未来风力机设计和优化工作提供了重要的参考依据。同时，本文还指出了进一步研究的方向，如在不同地形、气候条件下的风力机设计适应性研究，以及更加精确的风力机叶片设计算法开发等。通过这些研究，有望使风力发电技术更加成熟和完善，为新能源开发做出更大的贡献。