题目：荷花形复合材料风轮设计与性能研究

    目前，随着对节能环保和环境美化要求的提高，风能应用更加广泛地得到普及，小型风力机（也称为“小型风轮”）越来越多地用于居民区、建筑物和道路等照明，风轮叶片已从风轮造型向材料的环保性和装饰性方向发展。因此，深入开展小型风轮结构设计、环保性和装饰性材料的应用研究具有重要的实际意义。

    基于小型风轮主要用于人群环境，既需着眼于美观性、结构轻量化、噪音小等特点进行设计。本文在认真分析现有小型风轮理论研究和实际应用研究成果的基础上，仿美丽的荷花形态，开展了独特的阻力型小型复合材料风轮设计与应用基础研究。

    在材料研究方面，本文所述内容包括：小型风轮复合材料叶片设计与成型工艺研究；成型模具材料设计、结构与性能研究；复合材料叶片涂料设计、结构与性能研究；夜光涂料与叶片基材的适用性探索研究。在荷花形复合材料风轮设计方面，本文所述内容包括：提出并进行了复合材料旋转叶片和导流叶片组合构型与设计，在芬兰工程师西吉尔特•萨冯尼斯（Sigurt•Savonius）阻力型风轮（简称Savonius风轮）基础上，优化设计了旋转叶片，基于自然界新月沙丘流线理论设计了导流叶片；利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, 简称CFD）数值模拟方法和风洞试验方法，分析了旋转叶片结构和导流叶片倾斜角和长度对风轮性能的影响；建立了旋转叶片和导流叶片的物理参数与荷花形复合材料风轮启动性能和发电效率间的关系；基于风轮轻量化思考，制备了表面仿贝壳流线形凹坑的复合材料旋转叶片；讨论了尺寸、形状等因素对荷花形风轮启动性能、电性能及扭矩性能的影响。

    本文由七章构成：

    第一章 绪论。综述了水平轴和垂直轴风轮的结构特点，分析了阻力型垂直轴风轮的性能和同类风轮结构设计特点；总结了风轮叶片成型模具材料的优缺点和发展趋势，以及风轮叶片真空成型用树脂的国内外进展；介绍了风轮叶片涂层用涂料的发展现状和应用环境等；针对城市社区和居民区风轮的设计思考，确定了本论文的研究目标和主要研究内容。

    第二章 风轮叶片与成型模具的材料。以可反复利用、反复造型、低成本的Si-Al空心微球增强高分子复合材料为基体，结合风电叶片真空成型工艺，采用纳米二氧化硅（nano-SiO2）和短切玻纤（GF）改性Si-Al空心微球增强高分子复合材料，进行了风轮叶片成型模具材料研究，通过压缩和蠕变实验表明：在0.2MPa恒压下，9wt% nano-SiO2改性后Si-Al空心微球增强高分子复合材料的模具材料蠕变增量几乎为零，达到真空成型用模具材料抗压性能要求。采用风轮叶片真空成型工艺制备了普通铺层、蜂窝夹层、表面具有凹坑的三类玻纤增强环氧树脂复合材料，研究表明：表面具有凹坑的复合材料拉伸模量比普通铺层板降低了20.4%，蜂窝夹层复合材料降低了54.6%；表面具有凹坑的复合材料压缩模量降低了25.3%，蜂窝夹层复合材料降低了35.2%；表面具有凹坑复合材料的弯曲模量降低了0.4%，蜂窝夹层复合材料降低了35.5%。开展了风轮复合材料叶片表面涂料研究，结果表明：与未改性涂膜相比，0.7wt% OMMT改性涂料的涂膜断裂伸长率提高了28.1%，拉伸强度提高了63.6%，以玻纤增强环氧树脂复合材料为基材的涂层附着力由1级提高到0级，铅笔硬度不变，抗冲击试样折断处涂膜无剥离、皱纹和剥落等现象，耐酸碱性、盐水等性能均有改善；与未改性夜光涂膜相比，0.7wt% OMMT改性夜光涂料的涂膜断裂伸长率提高了62.4%，拉伸强度提高了190.5%，涂层附着力和铅笔硬度不变，抗冲击试样折断处涂膜无剥离、皱纹和剥落等现象，耐酸碱性、盐水等性能也有少许改善。

    第三章 荷花形复合材料风轮的结构设计与研究方法。提出并进行了荷花形复合材料风轮由旋转叶片和导流叶片组合构型与设计，在Savonius风轮基础上进行了旋转叶片优化设计，基于自然界新月沙丘模型进行了导流叶片设计；探索了CFD数值模拟方法的建立过程和风洞实验测试系统的搭建等。研究确定了荷花形复合材料风轮CFD数值模拟用的基本条件，包括计算域尺寸、网格参数、时间步长、风轮运行时间和收敛标准等。

    第四章 荷花形复合材料风轮旋转叶片的制备与性能。制备了玻纤增强环氧树脂复合材料的旋转叶片。在不考虑导流叶片的情况下，比较了荷花形复合材料风轮（Lotus-I）、Savonius风轮和螺旋形风轮的功率系数、运行平稳性等。研究表明：Lotus-I荷花形复合材料风轮运行较平稳，功率系数与传统Savonius风轮相当。优化前后荷花形复合材料风轮性能相比表明：在叶尖速比0.4条件下，优化后荷花形复合材料风轮（Lotus-II）功率系数提高37.8%。三种不同半径的玻纤增强环氧树脂复合材料Lotus-II风轮的发电性能相比表明：风轮半径越大，转速越低，扭矩输出越大，发电性能越高。

    第五章 荷花形复合材料风轮新月沙丘导流叶片的制备与性能。引用自然界塑造出的新月沙丘流线外形，进行了荷花形复合材料风轮的导流叶片结构设计，分析了在不同倾斜角导流叶片情况下，风轮性能随导流叶片倾斜角的变化规律，并制备了不同长度的玻纤增强环氧树脂复合材料导流叶片。研究表明：在叶尖速比0.4~0.6之间，倾角15°、20°、25°导流叶片风轮功率系数基本相同，比无导流叶片风轮增加了18%；复合材料导流叶片长度越长，其聚风能力越强，提高风轮发电性能越多。

    第六章 叶片物理参数对荷花形复合材料风轮性能的影响。设计制备了旋转叶片的蜂窝夹层结构，通过改变夹层结构内填料和蜂窝厚度，制备了一系列不同质量、厚度的复合材料旋转叶片，研究分析了旋转叶片质量和厚度对风轮性能的影响。研究表明：随着风速增加，单位质量和单位厚度复合材料旋转叶片风轮启动性能的损耗增加，风轮发电性能损耗越多。

    第七章 旋转叶片表面凹坑结构对荷花形复合材料风轮性能的影响。采用真空成型工艺制备了表面具有贝壳形凹坑的玻纤增强环氧树脂复合材料叶片，测试了其风轮的相应性能。研究表明：Lotus-II复合材料旋转叶片凹面排布凹坑的风轮功率系数基本不变，凸面排布凹坑的功率系数降低了13.4%，结合表面具有凹坑的玻纤增强环氧树脂复合材料力学性能分析，复合材料旋转叶片凹面排布凹坑适合风轮轻量化设计。

    上述研究结果进一步补充了新型小型风力发电机的设计理论和实验数据。本论文的主要贡献及创新点如下：

   （1）基于社区美化和风力照明及新型小型风力机开发之理念，提出并开展了由复合材料旋转叶片和复合材料导流叶片组合的仿荷花形风轮造型和设计；以风轮叶片为应用背景，研制了适用于玻纤增强环氧树脂复合材料叶片的防护涂料和具有装饰效果的夜光涂料。

   （2）基于小型风轮设计多样化特点，研究制得一种可反复利用、重复造型的模具材料，尤其适合作为复合材料真空成型工艺用模具材料。

   （3）基于复合材料风轮结构轻量化角度，研究分析了风轮性能对叶片结构的响应行为，与传统Savonius风轮相比，Lotus-I荷花形复合材料风轮功率系数未下降，在叶尖速比0.4条件下，优化后的Lotus-II复合材料旋转叶片风轮功率系数提高了37.8%，优化前后复合材料旋转叶片质量减轻，运行平稳性提高。表面具有凹坑的复合材料旋转叶片综合力学性能好于蜂窝结构，且功率系数基本不变，为风轮轻量化提供了新的思路。

   （4）将新月形沙丘的流线几何造型和数学描述引入荷花形复合材料风轮导流叶片设计，研究了复合材料导流叶片的倾斜角和长度对风轮性能的影响，指出在倾斜角15°~25°范围内，与未添加导流叶片风轮相比，其风轮功率系数增加了约18%。