升力型、升阻型垂直軸風(fēng)力機流場計算及性能預(yù)測.pdf

1、傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力機主要分為兩類:一類是利用翼型的升力做功的風(fēng)力機，稱這種風(fēng)力機為升力型風(fēng)力機;另一類是利用空氣動力的阻力做功的阻力型風(fēng)力機。由于升力型風(fēng)力機相對于阻力型風(fēng)力機輸出功率較大，但啟動力矩相對較小，本文將升力型風(fēng)輪和阻力型風(fēng)輪組合構(gòu)成升阻型風(fēng)力機，從理論上來說這種風(fēng)力機將具備它們各自的優(yōu)點。因此，本課題針對升阻型風(fēng)力機的性能對其升力型風(fēng)輪葉片翼型進行數(shù)值計算、分析升力型風(fēng)力機的氣動性能、計算升阻型風(fēng)力機的啟動風(fēng)速、啟動力矩、切

2、入風(fēng)速以及對流場設(shè)置方法進行探討，其主要內(nèi)容包括:
　　 1.利用數(shù)值模擬和已有試驗數(shù)據(jù)研究低速對稱翼型在不同雷諾數(shù)下的性能，不同的相對厚度對翼型氣動性能的影響，對比計算結(jié)果，分析不同翼型的氣動性能，從中選出一個最佳翼型作為升力型風(fēng)力機風(fēng)輪葉片的翼型;
　　 2.利用CFD軟件，對升力型風(fēng)力機進行流場計算及性能預(yù)測，研究其氣動性能，包括風(fēng)輪尾流的變化、啟動風(fēng)速的大小、失速時的風(fēng)速和最大功率以及風(fēng)輪的受力情況;
　　

3、 3.利用雙滑移網(wǎng)格技術(shù)對升阻型風(fēng)力機進行流場計算及性能預(yù)測，研究其氣動特性，包括風(fēng)輪尾流的變化、啟動風(fēng)速的大小、失速時的風(fēng)速和最大功率以及風(fēng)輪的受力情況。還有湍流度對風(fēng)輪氣動特性的影響、內(nèi)外風(fēng)輪之間網(wǎng)格的不同設(shè)置對流場計算結(jié)果的影響和旋轉(zhuǎn)軸對流場計算結(jié)果的影響，最后與升力型風(fēng)力機的流場計算結(jié)果進行對比分析。
　　 通過研究分析得出以下結(jié)論:
　　 1.在同一雷諾數(shù)下，隨著翼型相對厚度的增加，其計算值越接近試驗值;同一

4、翼型，隨著雷諾數(shù)的增加，計算值也越接近試驗值，且雷諾數(shù)越大，升力系數(shù)越大，阻力系數(shù)越小，反之，雷諾數(shù)越小，粘性越大，翼型越易失速，即越易發(fā)生邊界層分離;
　　 2.在葉尖速比一定的條件下，當(dāng)風(fēng)輪開始轉(zhuǎn)動時，風(fēng)輪方位角的變化對風(fēng)輪尾部的流場分布影響不大，且在風(fēng)輪尾部越接近風(fēng)輪的區(qū)域其流動速度越小，在方位角為90°時，風(fēng)輪內(nèi)部有較多的低速區(qū)，當(dāng)風(fēng)輪后的流體離風(fēng)輪越遠時，其流體流動速度和風(fēng)輪前的來流速度越接近;升力型風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動過程中所

5、受的扭矩隨轉(zhuǎn)速的增加先增加后減小;風(fēng)輪所受總力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加;
　　 3.當(dāng)升阻型風(fēng)輪在相同的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)動到不同角度，風(fēng)輪尾部的速度分布變化也不大，且在下風(fēng)向的流動速度隨著距離風(fēng)輪中心越遠，其流動速度越大，且越接近風(fēng)輪前的來流速度，而風(fēng)輪內(nèi)部的速度變化大致相同;升阻型風(fēng)力機比升力型風(fēng)力機先發(fā)生失速現(xiàn)象，且在失速之前，升阻型風(fēng)力機的輸出功率大于升力型風(fēng)力機的輸出功率，但在失速之后升阻型風(fēng)力機輸出功率較小，升阻型風(fēng)力機的

6、最大功率小于升力型風(fēng)力機的最大功率，但是升阻型風(fēng)力機比升力型風(fēng)力機具有較大的啟動力矩和較低的啟動風(fēng)速，更易在低風(fēng)速下啟動。在同樣的轉(zhuǎn)速下，升力型風(fēng)力機風(fēng)輪所受總力持續(xù)增加，而升阻型風(fēng)力機風(fēng)輪所受總力出現(xiàn)上下波動;
　　 4.對于升阻型風(fēng)力機，當(dāng)內(nèi)外風(fēng)輪之間網(wǎng)格設(shè)置不同時，隨著轉(zhuǎn)速的增加扭矩系數(shù)和扭矩均先增加后減小，且在設(shè)置該區(qū)域的網(wǎng)格為滑動網(wǎng)格時，其扭矩系數(shù)和扭矩的最大值大于設(shè)置該區(qū)域的網(wǎng)格為固定網(wǎng)格情況下的最大值;隨著葉尖速比

7、的增加，功率和功率系數(shù)也先增加后減小，且在該情況下先失速，最大功率和最大功率系數(shù)均小于設(shè)置該區(qū)域的網(wǎng)格為固定網(wǎng)格時的情況;在不考慮旋轉(zhuǎn)軸的情況下升阻型風(fēng)力機有較大的啟動力矩，且在相同風(fēng)速下扭矩和功率的計算結(jié)果將大于考慮旋轉(zhuǎn)軸的情況;在風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，單向湍流度和雙向湍流度下的扭矩系數(shù)和扭矩相差較小，而當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，在這兩種情況下差別很大，且雙向湍流度下的扭矩系數(shù)和扭矩大于單向湍流度下的值，雙向湍流度遠遠大于單向湍流度對流場的