文档介绍：内蒙古工业大学硕士学位论文
摘 要
近年来，能源消耗总量增长过快促使风力发电产业快速发展，国内外风电年装
机容量呈大幅增长趋势。与此同时，由于风电受多种因素影响，限制了电力系统对
风电的消纳能力，弃风限电现象成为比较突出的问题。因此，发展分散式小型风能
利用系统，不仅可以解决风电难消纳问题，而且可以通过建立单独供电系统，解决
由于地区偏远、建电网困难等因素造成的区域性无电问题。
本文基于仿生学，提出一种叶片由柔性材料制成的新型风力机，可根据来流风
速的大小和方向自动调整叶片弯曲程度，进而改善叶片表面流场，提高风能利用率，
该风力机具有结构简单，启动风速低，移动性、灵活性较强等特点。论文利用实验
和数值模拟计算相结合的方法，对比柔性叶片曲率和迎角对叶片流场的影响规律，
从叶片附面层流动分离对叶片气动特性影响的角度，剖析了曲率和迎角影响叶片气
动特性的根本原因。
首先，对柔性叶片升力特性进行了实验研究和数值模拟。为便于实验测试，基
于叶栅理论，将柔性叶片链轮简化为直列叶栅。建立叶片表面压力测试实验平台，
利用多点同步测压技术，测试了 5 种曲率叶片在 6 种迎角时的叶片表面压力，并转
化成无量纲量升力系数进行对比分析，确定了最佳曲率在 和 范围之间，
最佳迎角在 15°和 25°之间；建立柔性叶片数值模拟计算模型，选取了最佳曲率和最
佳迎角范围内的 42 种工况进行模拟，最终确定了叶片最佳曲率 K 为 ，叶片最
佳迎角 为 20°，并揭示了叶片曲率和迎角对升力系数的影响规律。
其次，对柔性叶片附面层流场进行了实验研究和数值模拟。建立了流场测试实
验平台，利用粒子图像测试（PIV）技术，测试了 3 种曲率叶片在 2 种迎角时叶片
表面的流场分布，并对比了叶片升力特性数值模拟中 42 种工况下的流场分布情况。
结果表明：弯曲的叶片在迎角为 20°时，吸力面附面层能够保持附着流动状态，迎
角增大到 30°时，吸力面附面层出现较大的逆压梯度，靠近后缘的位置发生分离现
象并产生旋涡，降低了叶片的升阻比；叶片适当弯曲可以改善附面层流体流动状态，
但是曲率超出某值时，会使吸力面上的逆压梯度陡增，导致附面层发生较为明显的
分离，对提高叶片升力系数不利；叶片发生附面层分离产生的旋涡脱落时具有周期
性和不稳定性，对流场引起较为强烈的扰动，引起叶片结构振动。
最后，通过实验和数值模拟计算的结论揭示了曲率和迎角对叶片升力系数的影
响规律及根本原因，确定了使升力特性达到最好的最佳曲率和最佳迎角，为柔性叶
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片风力机的优化设计提供了理论依据。
关键词：柔性叶片；附面层分离；风洞实验；数值模拟计算；升力系数
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Abstract
In recent years, the fast growth of total energy consumption leads to the wind power
industry develop rapidly and wind power installed capacity increases rapidly each year.
At the same time, limited transmission capacity restrains consumption of wind power and
the problem of dropping wind power become serious. The development of distributed
small wind power system can solve consumption problem. With setting up separate
power supply system, the problem of regional power shortage s