题目：水平轴风力机叶片气动设计

2011年，世界电能生产和消耗总量达到21964万亿瓦时。化石能源占有67%的能源供应比例，导致了巨大的二氧化碳排放。被称为“绿色技术”的可再生能源能够解决这个问题，在很多国家已经开始研发和投入。风能技术由于其低成本且可利用的特性，在过去的十年间有了飞速的发展。风力机通过叶片和气流的相互作用搜集能量，提供廉价且绿色的能源，从而替代化石燃料。叶片是风力机最重要的部分，因此高效率的叶片设计非常关键。 本文充分研究了风力机叶片的气动理论和设计方法，并提出了一种新的叶片气动设计方法。该方法中，叶片采用多翼型扭锥造型，通过XFOIL或ANSYS FLUENT软件获得各截面翼型气动性能，采用基于动态入流修正的动量叶素理论对叶片进行气动分析，以风能利用系数作为目标函数，结合适当的优化算法，实现高性能叶片的优化设计开发。 为验证方法的有效性，选取具有详细精确试验数据的NREL Phase VI作为原始叶片，优化开发一款功率20千瓦半径5米的扭锥形叶片。选取了S807, S805A 和 S806A翼型替代原NREL Phase VI 叶片的S809翼型。将优化结果分别用GH Bladed 软件和计算流体力学ANSYS Fluent软件进行气动分析并与试验数据对比，其中基于ANSYS Fluent叶片全三维数值模拟采用SST k-omega湍流模型，该模型已经被验证是有效的风力机气动性能估算模型。验证结果显示：采用多翼型设计方法能够提高叶片在风速4-12米/秒的功率系数。因此，在低风速工况下，叶片的功率输出最大。新设计的叶片相对于NREL Phase VI叶片年发电量更高。