基于CFD的Savonius風機葉片優(yōu)化研究.pdf

1、能源是推動經(jīng)濟發(fā)展、促進社會進步的重要基礎，當今世界正面臨礦產(chǎn)資源耗竭的硬性制約和全球環(huán)境污染的巨大壓力，因此改進能源產(chǎn)業(yè)結構，開發(fā)可再生能源，已成為全球關注的焦點。風能是一種清潔無污染的可再生能源，由于其儲量豐富，開發(fā)成本較低，隨著我國能源產(chǎn)業(yè)結構的改革，風能的開發(fā)利用必將對經(jīng)濟、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。
　　風力發(fā)電是目前技術較為成熟的一種風能利用方式，垂直軸風機在小型風力發(fā)電領域應用比較廣泛，其中Savonius風機

2、由于啟動風速較低、氣動噪聲較小、不受風向限制等特點受到廣泛關注。但是Savonius風機輸出的轉(zhuǎn)矩具有周期變化的特點，周期性的轉(zhuǎn)矩會導致風機輸出功率的變化，容易引起電力系統(tǒng)電壓與頻率的變動，也會對風機的旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生頻繁的沖擊，影響風機的耐久性;同時由于主要依靠迎風面的動力矩與阻力矩之差來做功，Savonius風機的動轉(zhuǎn)矩系數(shù)較低，導致風能利用系數(shù)較低。
　　葉片是風機最重要的部件之一，葉片結構的優(yōu)化設計將最大程度的改善風機性能。針對

3、傳統(tǒng)Savonius風機的上述缺點，本文提出一種葉片扭曲變形的策略，結合葉片重疊比、葉片高徑比、葉片扭角、葉片弧度等葉片結構參數(shù)，對葉片結構進行變異設計，并利用計算流體力學(CFD)數(shù)值模擬方法研究不同結構參數(shù)對于風機動轉(zhuǎn)矩輸出性能的影響。首先利用Matlab結合Pro/E對風機葉片三維模型進行參數(shù)化建模;然后利用ANSYSWorkbench作為協(xié)同仿真環(huán)境平臺建立仿真體系，依據(jù)Meshing中制定的網(wǎng)格劃分策略和Fluent中設置的求

4、解方案，對不同結構參數(shù)Savonius風機葉片的旋轉(zhuǎn)運動進行動態(tài)仿真。
　　利用多項式回歸、正交試驗、交互作用試驗等數(shù)據(jù)分析方法，對不同結構參數(shù)進行合理的試驗安排。以降低風機葉片動轉(zhuǎn)矩震蕩幅度、提高整體動轉(zhuǎn)矩輸出能力為優(yōu)化目標，以動轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線、動轉(zhuǎn)矩系數(shù)極差、平均動轉(zhuǎn)矩系數(shù)等為評價指標，對不同結構參數(shù)風機葉片的動轉(zhuǎn)矩輸出性能進行分析對比，確定合理的葉片結構參數(shù)分布范圍，并根據(jù)葉片附近壓強分布、速度矢量分布等流場特征分析葉片各結構

5、參數(shù)變化對于風機葉片動轉(zhuǎn)矩輸出性能的影響機理。
　　利用流固耦合仿真分析方法，根據(jù)葉片表面應力分布及形變分布對優(yōu)化前后Savonius風機葉片的力學性能進行分析對比，對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后葉片結構強度有所下降，故設計隔板作為扭曲葉片的輔助結構以改善其力學性能。以葉片動轉(zhuǎn)矩輸出性能為優(yōu)化目標，對隔板參數(shù)進行優(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證其力學性能，并根據(jù)流場特征分析隔板作用機理。
　　本文以葉片動轉(zhuǎn)矩輸