垂直軸風力機非定常氣動特性數(shù)值模擬.pdf

1、垂直軸風力機適用于任何風向，無需偏航裝置;傳動機構至于地面，易于運行與維護;葉片制造加工容易、成本低以及噪聲小等優(yōu)點，受到人們越來越多的關注，逐漸向大型化的方向發(fā)展。準確的風力機氣動性能分析與設計是保證風力機安全可靠地運行，推動其快速發(fā)展的關鍵。垂直軸風力機氣動性能的研究方法包括實驗法、模型法和數(shù)值法。實驗方法實施比較困難，測量數(shù)據(jù)有限。模型法主要指基于動量定理和葉素理論的流管模型。數(shù)值法主要包括基于勢流數(shù)值計算法的渦流模型和基于Nav

2、ier-Stokes方程的CFD數(shù)值模擬方法。無論是流管模型還是渦流模型，對于流體粘性因素的考慮都是基于風洞實驗得到的翼型氣動性能數(shù)據(jù)。目前，CFD方法以其突出的優(yōu)勢在風力機氣動性能的研究方面扮演著越來越重要的角色。為此，本文采用CFD商用軟件FlowVisionHPC，選用SST湍流模型，假設全流場為湍流流動，研究了升力型垂直軸風力機的非定常粘性繞流場。
　　首先，采用CFD軟件FlowVision HPC以實驗模型為研究對象，

3、研究了單葉片和三葉片結構的H型風力機的二維非定常粘性繞流場和三葉片結構的H型風力機的三維非定常粘性繞流場。將計算結果與實驗值進行了比較，確定了計算方法的正確性。分析了一個旋轉周期內(nèi)葉片和風輪的切向力系數(shù)的變化，風輪附近的流動細節(jié)，流場的速度分布和葉片脫落渦的運動規(guī)律。通過以上研究發(fā)現(xiàn)三維數(shù)值模擬的計算結果更加接近實驗值，但是風力機的氣動載荷仍低，豐要是由于葉片兩端的葉梢渦非定常運動和低葉尖速比時葉片出現(xiàn)動態(tài)失速現(xiàn)象所致。針對這兩個空氣動

4、力學問題論文提出了在葉頂加裝端板的方法來削弱葉梢渦的強度和采用變槳方式調節(jié)葉片攻角的變化范圍來提高風力機的氣動載荷。
　　將實驗模型的葉片兩端加裝了端板，采用相同的數(shù)值模擬方法，選擇低、中、高三個葉尖速比進行了研究。分析了葉頂處相對速度的變化和葉片吸力面的壓力分布，揭示了加裝端板后風力機氣動載荷提高的原因。之后，建立了變槳式H型風力機的二維非定常粘性繞流場的數(shù)值模擬方法。分別采用固定葉片槳距角和動態(tài)變槳方式來調節(jié)攻角的變化范圍，討

5、論了槳距角變化對風力機的功率系數(shù)、氣動載荷，以及一個旋轉周期內(nèi)不同時刻非定常速度場、渦量場的影響，揭示了變槳式H型風力機氣動載荷提高的原因。
　　通過以上研究發(fā)現(xiàn)H型風力機的尾流較復雜，尾渦不斷脫落其非定常運動是值得深入研究的問題?；诖?，選用兩臺實驗模型為對象，研究了風力機間距不同時，上游和下游風力機各個葉片的切向力系數(shù)隨相位角的變化和風力機尾流區(qū)不同位置處的速度分布，以及一個旋轉周期二維非定常速度場、渦量場和湍動能的變化，揭示

6、了尾流效應對下游風力機氣動特性的影響，為風電場中風力機的排布設計提供參考依據(jù)。
　　針對H型風力機自啟動能力較差的問題，以實驗模型為對象，研究了H型風力機自啟動的氣動性能。在把計算的風力機自啟動過程中轉速隨時間的變化曲線與實驗數(shù)據(jù)進行比較的基礎上，揭示了風力機的扭矩隨啟動時間的變化規(guī)律。分析了葉片槳距角不同時的風力機自啟動特性，討論了啟動過程中不同時刻槳距角變化對三葉片H型風力機二維非定常粘性速度場的影響。
　　此外，還采用