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

1、國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能進(jìn)行了許多研究，但對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化問題研究不多;對(duì)升阻型混合風(fēng)輪的氣動(dòng)性能研究多局限于試驗(yàn)研究一種尺寸比例下混合風(fēng)輪的氣動(dòng)性能，未考慮混合風(fēng)輪中兩風(fēng)輪的尺寸匹配對(duì)其氣動(dòng)性能的影響。針對(duì)以上問題，本文主要研究風(fēng)輪參數(shù)對(duì)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響，并對(duì)H型風(fēng)輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(dòng)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(duì)混合風(fēng)輪氣動(dòng)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(jì)算模型和雙向多流管理論計(jì)算模型，利用Matlab軟件編程計(jì)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(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性;
　　 (2)基于雙向多流管理論計(jì)算模型來(lái)研究H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉尖速比、風(fēng)輪實(shí)度（含葉片數(shù)、葉片弦長(zhǎng)）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(jì)算模型，針對(duì)特定風(fēng)場(chǎng)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(jì)目標(biāo)，采用粒子群算法進(jìn)行尋優(yōu)搜索對(duì)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(jì);
　　 (4)采用單一變量法和雙滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)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(dòng)性能，研究分析得出最佳性能時(shí)對(duì)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(dòng)性能，最終確定最佳性能時(shí)兩個(gè)風(fēng)輪的高度比和半徑比，并將最佳組合時(shí)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(duì)比，分析阻力型風(fēng)輪和升力型風(fēng)輪對(duì)混合型風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響。
　　 通過研究及對(duì)數(shù)據(jù)的分析得出以下結(jié)論:
　　 (1)模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明:雙向多流管理論計(jì)算模型更適合于垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì);
　　 (2)用垂直軸風(fēng)力機(jī)雙向多流管理論計(jì)算模型研究H型垂直軸風(fēng)

5、力機(jī)的氣動(dòng)性能可以得出如下結(jié)論:風(fēng)輪實(shí)度和葉片數(shù)（或葉片弦長(zhǎng)）變化趨勢(shì)一致，二者呈線性變化關(guān)系;風(fēng)輪實(shí)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(shí)，隨著高徑比H/D的增大，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的啟動(dòng)風(fēng)速減小;在風(fēng)速相同時(shí)，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(dòng)優(yōu)化結(jié)

6、果表明:針對(duì)特定風(fēng)場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪與初步設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪對(duì)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(shuō)明該優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是實(shí)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(dòng)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(shí)，升阻型垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)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