基于CFD的Savonius風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化研究.pdf

1、能源是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)，當(dāng)今世界正面臨礦產(chǎn)資源耗竭的硬性制約和全球環(huán)境污染的巨大壓力，因此改進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)可再生能源，已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。風(fēng)能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源，由于其儲(chǔ)量豐富，開(kāi)發(fā)成本較低，隨著我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的改革，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用必將對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
　　風(fēng)力發(fā)電是目前技術(shù)較為成熟的一種風(fēng)能利用方式，垂直軸風(fēng)機(jī)在小型風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，其中Savonius風(fēng)機(jī)

2、由于啟動(dòng)風(fēng)速較低、氣動(dòng)噪聲較小、不受風(fēng)向限制等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。但是Savonius風(fēng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩具有周期變化的特點(diǎn)，周期性的轉(zhuǎn)矩會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出功率的變化，容易引起電力系統(tǒng)電壓與頻率的變動(dòng)，也會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生頻繁的沖擊，影響風(fēng)機(jī)的耐久性;同時(shí)由于主要依靠迎風(fēng)面的動(dòng)力矩與阻力矩之差來(lái)做功，Savonius風(fēng)機(jī)的動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)較低，導(dǎo)致風(fēng)能利用系數(shù)較低。
　　葉片是風(fēng)機(jī)最重要的部件之一，葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將最大程度的改善風(fēng)機(jī)性能。針對(duì)

3、傳統(tǒng)Savonius風(fēng)機(jī)的上述缺點(diǎn)，本文提出一種葉片扭曲變形的策略，結(jié)合葉片重疊比、葉片高徑比、葉片扭角、葉片弧度等葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行變異設(shè)計(jì)，并利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于風(fēng)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能的影響。首先利用Matlab結(jié)合Pro/E對(duì)風(fēng)機(jī)葉片三維模型進(jìn)行參數(shù)化建模;然后利用ANSYSWorkbench作為協(xié)同仿真環(huán)境平臺(tái)建立仿真體系，依據(jù)Meshing中制定的網(wǎng)格劃分策略和Fluent中設(shè)置的求

4、解方案，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)Savonius風(fēng)機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。
　　利用多項(xiàng)式回歸、正交試驗(yàn)、交互作用試驗(yàn)等數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理的試驗(yàn)安排。以降低風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)轉(zhuǎn)矩震蕩幅度、提高整體動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出能力為優(yōu)化目標(biāo)，以動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線、動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)極差、平均動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)風(fēng)機(jī)葉片的動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能進(jìn)行分析對(duì)比，確定合理的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)分布范圍，并根據(jù)葉片附近壓強(qiáng)分布、速度矢量分布等流場(chǎng)特征分析葉片各結(jié)構(gòu)

5、參數(shù)變化對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能的影響機(jī)理。
　　利用流固耦合仿真分析方法，根據(jù)葉片表面應(yīng)力分布及形變分布對(duì)優(yōu)化前后Savonius風(fēng)機(jī)葉片的力學(xué)性能進(jìn)行分析對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所下降，故設(shè)計(jì)隔板作為扭曲葉片的輔助結(jié)構(gòu)以改善其力學(xué)性能。以葉片動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出性能為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)隔板參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，確定合理的隔板分布方式，利用流固耦合仿真分析方法驗(yàn)證其力學(xué)性能，并根據(jù)流場(chǎng)特征分析隔板作用機(jī)理。
　　本文以葉片動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸