變尖速比下垂直軸風(fēng)力機(jī)流場模擬與翼型設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、近年來，為建設(shè)可持續(xù)發(fā)展城市，開發(fā)城市風(fēng)能已成為世界風(fēng)能利用的一個(gè)新方向。H型垂直軸風(fēng)力機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、無需對風(fēng)、易安裝和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)更適合用于城市風(fēng)力發(fā)電。然而，針對H型垂直軸風(fēng)力機(jī)流場以及翼型設(shè)計(jì)相關(guān)問題的研究較少，不利于改善風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性，阻礙了該種類型風(fēng)力機(jī)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。因此，本文進(jìn)行了以下系統(tǒng)的研究。
　　應(yīng)用相似理論和量綱分析法確定了實(shí)驗(yàn)風(fēng)輪尺寸的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)加工了風(fēng)輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并給出氣

2、動(dòng)特性數(shù)據(jù)的測量方法，為進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)，使風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論可用于指導(dǎo)真實(shí)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。
　　以一臺(tái)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)為研究對象，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了不同湍流模型、網(wǎng)格單元類型、y+值和時(shí)間步長四個(gè)數(shù)值模擬參數(shù)對變尖速比條件下H型風(fēng)輪氣動(dòng)特性URANS模擬結(jié)果的影響。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，確定了URANS方法模擬變尖速比下H型垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性時(shí)的主要模擬參數(shù)取值。
　　采用URANS方法模擬了變尖速

3、比下H型垂直軸風(fēng)力機(jī)流場，結(jié)果表明：低尖速比時(shí)風(fēng)輪流場的主要特征為葉片表面失速渦頻繁地生成和脫落，高尖速比時(shí)風(fēng)輪流場的主要特征為周期性的葉片尾流形成和擴(kuò)散，兩種特征都會(huì)降低風(fēng)輪的氣動(dòng)力矩和功率系數(shù)。從流場流動(dòng)的角度指出變尖速比下 H型垂直軸風(fēng)力機(jī)翼型氣動(dòng)設(shè)計(jì)的方向?yàn)椋旱图馑俦葧r(shí)避免或延遲葉片氣流分離和失速渦脫落，高尖速比時(shí)縮短葉片的尾流長度和減小其擴(kuò)散范圍。
　　提出了平均有效風(fēng)能利用系數(shù)的概念，將其做為風(fēng)輪氣動(dòng)特性的評價(jià)指標(biāo)，補(bǔ)

4、充了最大功率系數(shù)難以表征變尖速比下風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的不足?；谠撝笜?biāo)建立了變尖速比下風(fēng)輪氣動(dòng)特性的計(jì)算模型，解決了CFD方法用于翼型設(shè)計(jì)時(shí)模擬精度相對較高但耗時(shí)過長的問題。
　　針對風(fēng)輪氣動(dòng)特性計(jì)算模型，研究了計(jì)及變尖速比下風(fēng)輪氣動(dòng)特性的翼型設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)得到翼型OPTFoil2014。以單個(gè)翼型氣動(dòng)特性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用Xfoil程序結(jié)合Viterna模型計(jì)算氣動(dòng)特性，基于復(fù)合形法設(shè)計(jì)得到另一種翼型OPTFoil2011。對8m/

5、s風(fēng)速下NACA0015，DU06-W-200，OPTFoil2011和OPTFoil2014翼型風(fēng)輪的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明：與垂直軸風(fēng)力機(jī)常用的NACA0015翼型相比，OPTFoil2014翼型對變尖速比下風(fēng)輪氣動(dòng)特性的改善效果最好，平均有效風(fēng)能利用系數(shù)提高了6.78％。通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)比較研究了NACA0015、DU06-W-200、OPTFoil2011和OPTFoil2014四種翼型風(fēng)輪在6m/s～10m/s風(fēng)速下的氣

6、動(dòng)特性。四種風(fēng)輪的平均有效風(fēng)能利用系數(shù)值均隨風(fēng)速的升高而增大，但增加幅度逐漸減小。與垂直軸風(fēng)力機(jī)常用的NACA0015翼型相比，OPTFoil2014翼型對平均有效風(fēng)能利用系數(shù)的改善率最高，6m/s時(shí)有最大值7.86%，10m/s時(shí)有最小值4.89%。
　　數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：和以單個(gè)翼型氣動(dòng)特性為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法相比，計(jì)及變尖速比下風(fēng)輪氣動(dòng)特性的翼型設(shè)計(jì)方法，將平均有效風(fēng)能利用系數(shù)做為翼型設(shè)計(jì)目標(biāo)，兼顧了不同尖速比下的風(fēng)