幾種典型狀況下垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性及流場(chǎng)分析.pdf

1、風(fēng)資源作為一種可再生的清潔能源，已經(jīng)得到了全世界的廣泛關(guān)注。在我國(guó)風(fēng)能已是繼水電和火電之后的第三大能源。垂直軸風(fēng)力機(jī)是典型的小型風(fēng)力機(jī)，它具有不用對(duì)風(fēng)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以使用于住宅小區(qū)等不可替代的優(yōu)勢(shì)，受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。但是為了進(jìn)一步提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率，還仍需做大量的研究。本文以H型垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)幾種典型狀況下的垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性及流場(chǎng)做了進(jìn)一步的研究工作。
　　H型垂直軸風(fēng)力機(jī)屬于升力型風(fēng)力機(jī)。受其結(jié)構(gòu)

2、和使用環(huán)境的影響，H型垂直軸風(fēng)力機(jī)一般運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)的低風(fēng)速區(qū)，而且上風(fēng)輪葉片產(chǎn)生的尾渦效果直接作用于下風(fēng)輪的葉片上，同時(shí)還有葉尖渦的影響，所以整個(gè)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的內(nèi)流場(chǎng)和風(fēng)輪附近的流場(chǎng)是非常復(fù)雜的。因此，本文主要從自主研發(fā)的翼型出發(fā)，分別對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的2D，3D模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析了自主研發(fā)翼型在深度失速狀態(tài)下的升阻性能;低風(fēng)速下的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的性能;并探討了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和不同的葉尖小翼對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)性能的影響;最后分

3、析葉片數(shù)對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)有彎度葉片的兩種不同安裝方式的影響;其主要內(nèi)容包括:
　　1.采用數(shù)值模擬的方法，分別選用URANS，LES，DES三種不同的湍流模型對(duì)自主研發(fā)的翼型進(jìn)行非定常的模擬計(jì)算，并和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。探討了三種不同的湍流模型在研究翼型深度失速時(shí)對(duì)升阻力預(yù)測(cè)的區(qū)別，分析出不同模型的優(yōu)勢(shì)，便于后續(xù)模擬計(jì)算時(shí)湍流模型的選取。結(jié)論顯示:自主研發(fā)的翼型深度失速時(shí)的最大攻角為30°，相比原模型的深度失速攻角23°有明顯的提

4、高;在翼型的攻角小于最大深度失速攻角的時(shí)候，使用三種湍流模型計(jì)算的升力和阻力性能相差不大，且和原模型的試驗(yàn)值比較接近;在翼型發(fā)生深度失速后，DES湍流模型的模擬結(jié)果不僅具有一定的可靠性，而且能夠捕捉到翼型周圍存在的渦流狀況;
　　2.以自主研發(fā)的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的研究方法，分析了低風(fēng)速下H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能和三維效應(yīng)特征。分析結(jié)果表明:低風(fēng)速區(qū)域，保持葉尖速比不變，改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速或改變來(lái)流風(fēng)速，對(duì)H型垂

5、直軸風(fēng)力機(jī)的性能影響差別很大，故在設(shè)計(jì)和選用H型垂直軸風(fēng)力機(jī)時(shí)，在保證合理葉尖速比的同時(shí)，還要注意實(shí)際風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的情況;在數(shù)值模擬時(shí)，合理設(shè)定風(fēng)速和轉(zhuǎn)速有利于模擬結(jié)果的可靠性;內(nèi)流場(chǎng)的作用影響模擬結(jié)果;
　　3.以翼型NACA0012的單葉片H型垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的研究方法，分析了葉片兩端未安裝葉尖小翼和安裝三種不同的葉尖小翼對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的表面壓力分布和葉尖渦的影響以及氣動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明:安裝小翼

6、均可提高H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)，其中安裝Winglet還提高H型垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)力矩;增加葉尖小翼均對(duì)消除葉尖渦有利;H型垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片兩端安裝Winglet較其他兩種小翼效果好;同時(shí)安裝小翼對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的升阻系數(shù)比影響不大，但在0°方位角位置安裝Winglet提高了升阻系數(shù)比值;V型小翼和winglet小翼對(duì)法向力系數(shù)和切向力系數(shù)的影響較大，特別是winglet小翼;通過(guò)優(yōu)化winglet小翼的幾何參數(shù)和安裝角度，有提

7、高H型垂直軸風(fēng)力機(jī)整體性能的潛力。
　　4.垂直軸風(fēng)力機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)其主要的氣動(dòng)性能（功率，功率系數(shù)，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩系數(shù)等）有一定的影響。本文基于雙向多流管理論和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的動(dòng)能定理并利用Matlab編程，以翼型為NACA0018的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，分析了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)性能的影響。分析發(fā)現(xiàn):轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的小范圍變化對(duì)其最大輸出功率系數(shù)影響不大，但較小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的風(fēng)力機(jī)需要較大的風(fēng)速才可以達(dá)到最大輸出功率;在達(dá)到

8、最大輸出功率以前，較小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的風(fēng)力機(jī)具有相對(duì)較大的功率系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和輸出功率;隨著風(fēng)速的增大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小的風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大;
　　5.采用非對(duì)稱翼型的H型垂直垂直軸風(fēng)力機(jī)有彎度的葉片，葉片有兩種安裝方式，一種是彎度向里，另一種是彎度向外。采用數(shù)值模擬的方法，主要探討了不同葉片數(shù)對(duì)上述有彎度葉片的兩種安裝方式的影響。分析結(jié)果表明:采用非對(duì)稱翼型的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)有彎度葉片正置安裝和反置安裝，葉片反置安裝的