升力型、升阻型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動計算和優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、國內(nèi)外學(xué)者對垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能進(jìn)行了許多研究，但對H型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化問題研究不多;對升阻型混合風(fēng)輪的氣動性能研究多局限于試驗研究一種尺寸比例下混合風(fēng)輪的氣動性能，未考慮混合風(fēng)輪中兩風(fēng)輪的尺寸匹配對其氣動性能的影響。針對以上問題，本文主要研究風(fēng)輪參數(shù)對H型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響，并對H型風(fēng)輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將優(yōu)化后的H型風(fēng)輪與S型風(fēng)輪組合成混合風(fēng)輪，通過三維數(shù)值模擬方法研究該混合風(fēng)輪的氣動性能，探討H型風(fēng)輪和S型風(fēng)輪

2、的高度比和半徑比對混合風(fēng)輪氣動性能的影響。因此，本課題所涵蓋的內(nèi)容如下:
　　 (1)根據(jù)垂直軸風(fēng)力機(jī)多流管理論計算模型和雙向多流管理論計算模型，利用Matlab軟件編程計算H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的功率和風(fēng)能利用系數(shù)，并與實驗值進(jìn)行對比驗證模型的準(zhǔn)確性;
　　 (2)基于雙向多流管理論計算模型來研究H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉尖速比、風(fēng)輪實度（含葉片數(shù)、葉片弦長）和風(fēng)輪高徑比與功率和風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系;
　　 (3)基于垂直軸

3、風(fēng)力機(jī)雙向多流管理論計算模型，針對特定風(fēng)場風(fēng)速的Weibull概率密度分布，以風(fēng)力機(jī)的年平均輸出功率最大為設(shè)計目標(biāo)，采用粒子群算法進(jìn)行尋優(yōu)搜索對H型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計;
　　 (4)采用單一變量法和雙滑移網(wǎng)格技術(shù)對不同高度比下的混合風(fēng)輪垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行非定常的三維數(shù)值模擬，得到混合型風(fēng)輪在不同高度比下的氣動性能，研究分析得出最佳性能時對應(yīng)的高度比，以此為基礎(chǔ)，模擬研究升阻型垂直軸風(fēng)力機(jī)中升力型風(fēng)輪和阻力型風(fēng)輪在不同

4、半徑比下的氣動性能，最終確定最佳性能時兩個風(fēng)輪的高度比和半徑比，并將最佳組合時的混合風(fēng)輪垂直軸風(fēng)力機(jī)與單一升力型風(fēng)輪和單一阻力型風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行對比，分析阻力型風(fēng)輪和升力型風(fēng)輪對混合型風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響。
　　 通過研究及對數(shù)據(jù)的分析得出以下結(jié)論:
　　 (1)模型實驗驗證表明:雙向多流管理論計算模型更適合于垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計;
　　 (2)用垂直軸風(fēng)力機(jī)雙向多流管理論計算模型研究H型垂直軸風(fēng)

5、力機(jī)的氣動性能可以得出如下結(jié)論:風(fēng)輪實度和葉片數(shù)（或葉片弦長）變化趨勢一致，二者呈線性變化關(guān)系;風(fēng)輪實度為0.168-0.27的范圍內(nèi)，風(fēng)能利用系數(shù)最大值Cpmax較大。在中、低風(fēng)速段，高徑比大的風(fēng)輪的輸出功率大;在高風(fēng)速段，高徑比越大最大輸出功率越小。轉(zhuǎn)速相同時，隨著高徑比H/D的增大，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的啟動風(fēng)速減小;在風(fēng)速相同時，要獲取相同的輸出功率，則高徑比大的風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速必須增加;
　　 (3)升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動優(yōu)化結(jié)

6、果表明:針對特定風(fēng)場優(yōu)化設(shè)計的升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪與初步設(shè)計的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪對比，結(jié)果顯示:優(yōu)化后的風(fēng)力機(jī)的年平均輸出功率提高了11.8％，有明顯的優(yōu)越性，說明該優(yōu)化設(shè)計模型是實用有效的;
　　 (4)三維數(shù)值模擬研究升阻型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能得出如下結(jié)論:當(dāng)H型風(fēng)輪和S型風(fēng)輪的高度比為3且半徑比為2時，升阻型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能最好;在低葉尖速比的范圍內(nèi)，混合風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)更高一些;在高葉尖速比范圍內(nèi)，單純的升力型風(fēng)輪有