變尖速比下垂直軸風力機流場模擬與翼型設(shè)計方法研究.pdf

1、近年來，為建設(shè)可持續(xù)發(fā)展城市，開發(fā)城市風能已成為世界風能利用的一個新方向。H型垂直軸風力機具有結(jié)構(gòu)緊湊、無需對風、易安裝和維護方便等優(yōu)點，比傳統(tǒng)的水平軸風力機更適合用于城市風力發(fā)電。然而，針對H型垂直軸風力機流場以及翼型設(shè)計相關(guān)問題的研究較少，不利于改善風力機的氣動特性，阻礙了該種類型風力機的進一步推廣和應用。因此，本文進行了以下系統(tǒng)的研究。
　　應用相似理論和量綱分析法確定了實驗風輪尺寸的設(shè)計原則，設(shè)計加工了風輪實驗臺，并給出氣

2、動特性數(shù)據(jù)的測量方法，為進行相關(guān)實驗驗證奠定基礎(chǔ)，使風洞實驗研究結(jié)論可用于指導真實風力機氣動設(shè)計。
　　以一臺H型垂直軸風力機實驗模型機為研究對象，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)研究了不同湍流模型、網(wǎng)格單元類型、y+值和時間步長四個數(shù)值模擬參數(shù)對變尖速比條件下H型風輪氣動特性URANS模擬結(jié)果的影響。綜合考慮計算精度和計算時間，確定了URANS方法模擬變尖速比下H型垂直軸風力機氣動特性時的主要模擬參數(shù)取值。
　　采用URANS方法模擬了變尖速

3、比下H型垂直軸風力機流場，結(jié)果表明：低尖速比時風輪流場的主要特征為葉片表面失速渦頻繁地生成和脫落，高尖速比時風輪流場的主要特征為周期性的葉片尾流形成和擴散，兩種特征都會降低風輪的氣動力矩和功率系數(shù)。從流場流動的角度指出變尖速比下 H型垂直軸風力機翼型氣動設(shè)計的方向為：低尖速比時避免或延遲葉片氣流分離和失速渦脫落，高尖速比時縮短葉片的尾流長度和減小其擴散范圍。
　　提出了平均有效風能利用系數(shù)的概念，將其做為風輪氣動特性的評價指標，補

4、充了最大功率系數(shù)難以表征變尖速比下風力機氣動特性的不足?；谠撝笜私⒘俗兗馑俦认嘛L輪氣動特性的計算模型，解決了CFD方法用于翼型設(shè)計時模擬精度相對較高但耗時過長的問題。
　　針對風輪氣動特性計算模型，研究了計及變尖速比下風輪氣動特性的翼型設(shè)計方法，并設(shè)計得到翼型OPTFoil2014。以單個翼型氣動特性為設(shè)計目標，采用Xfoil程序結(jié)合Viterna模型計算氣動特性，基于復合形法設(shè)計得到另一種翼型OPTFoil2011。對8m/

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

6、動特性。四種風輪的平均有效風能利用系數(shù)值均隨風速的升高而增大，但增加幅度逐漸減小。與垂直軸風力機常用的NACA0015翼型相比，OPTFoil2014翼型對平均有效風能利用系數(shù)的改善率最高，6m/s時有最大值7.86%，10m/s時有最小值4.89%。
　　數(shù)值模擬和風洞實驗結(jié)果均表明：和以單個翼型氣動特性為目標的設(shè)計方法相比，計及變尖速比下風輪氣動特性的翼型設(shè)計方法，將平均有效風能利用系數(shù)做為翼型設(shè)計目標，兼顧了不同尖速比下的風