垂直軸風(fēng)力機(jī)非定常氣動特性數(shù)值模擬.pdf

1、垂直軸風(fēng)力機(jī)適用于任何風(fēng)向，無需偏航裝置;傳動機(jī)構(gòu)至于地面，易于運(yùn)行與維護(hù);葉片制造加工容易、成本低以及噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，受到人們越來越多的關(guān)注，逐漸向大型化的方向發(fā)展。準(zhǔn)確的風(fēng)力機(jī)氣動性能分析與設(shè)計是保證風(fēng)力機(jī)安全可靠地運(yùn)行，推動其快速發(fā)展的關(guān)鍵。垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動性能的研究方法包括實(shí)驗法、模型法和數(shù)值法。實(shí)驗方法實(shí)施比較困難，測量數(shù)據(jù)有限。模型法主要指基于動量定理和葉素理論的流管模型。數(shù)值法主要包括基于勢流數(shù)值計算法的渦流模型和基于Nav

2、ier-Stokes方程的CFD數(shù)值模擬方法。無論是流管模型還是渦流模型，對于流體粘性因素的考慮都是基于風(fēng)洞實(shí)驗得到的翼型氣動性能數(shù)據(jù)。目前，CFD方法以其突出的優(yōu)勢在風(fēng)力機(jī)氣動性能的研究方面扮演著越來越重要的角色。為此，本文采用CFD商用軟件FlowVisionHPC，選用SST湍流模型，假設(shè)全流場為湍流流動，研究了升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的非定常粘性繞流場。
　　首先，采用CFD軟件FlowVision HPC以實(shí)驗?zāi)Ｐ蜑檠芯繉ο螅?/p>

3、研究了單葉片和三葉片結(jié)構(gòu)的H型風(fēng)力機(jī)的二維非定常粘性繞流場和三葉片結(jié)構(gòu)的H型風(fēng)力機(jī)的三維非定常粘性繞流場。將計算結(jié)果與實(shí)驗值進(jìn)行了比較，確定了計算方法的正確性。分析了一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)葉片和風(fēng)輪的切向力系數(shù)的變化，風(fēng)輪附近的流動細(xì)節(jié)，流場的速度分布和葉片脫落渦的運(yùn)動規(guī)律。通過以上研究發(fā)現(xiàn)三維數(shù)值模擬的計算結(jié)果更加接近實(shí)驗值，但是風(fēng)力機(jī)的氣動載荷仍低，豐要是由于葉片兩端的葉梢渦非定常運(yùn)動和低葉尖速比時葉片出現(xiàn)動態(tài)失速現(xiàn)象所致。針對這兩個空氣動

4、力學(xué)問題論文提出了在葉頂加裝端板的方法來削弱葉梢渦的強(qiáng)度和采用變槳方式調(diào)節(jié)葉片攻角的變化范圍來提高風(fēng)力機(jī)的氣動載荷。
　　將實(shí)驗?zāi)Ｐ偷娜~片兩端加裝了端板，采用相同的數(shù)值模擬方法，選擇低、中、高三個葉尖速比進(jìn)行了研究。分析了葉頂處相對速度的變化和葉片吸力面的壓力分布，揭示了加裝端板后風(fēng)力機(jī)氣動載荷提高的原因。之后，建立了變槳式H型風(fēng)力機(jī)的二維非定常粘性繞流場的數(shù)值模擬方法。分別采用固定葉片槳距角和動態(tài)變槳方式來調(diào)節(jié)攻角的變化范圍，討

5、論了槳距角變化對風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)、氣動載荷，以及一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)不同時刻非定常速度場、渦量場的影響，揭示了變槳式H型風(fēng)力機(jī)氣動載荷提高的原因。
　　通過以上研究發(fā)現(xiàn)H型風(fēng)力機(jī)的尾流較復(fù)雜，尾渦不斷脫落其非定常運(yùn)動是值得深入研究的問題?；诖?，選用兩臺實(shí)驗?zāi)Ｐ蜑閷ο?，研究了風(fēng)力機(jī)間距不同時，上游和下游風(fēng)力機(jī)各個葉片的切向力系數(shù)隨相位角的變化和風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)不同位置處的速度分布，以及一個旋轉(zhuǎn)周期二維非定常速度場、渦量場和湍動能的變化，揭示

6、了尾流效應(yīng)對下游風(fēng)力機(jī)氣動特性的影響，為風(fēng)電場中風(fēng)力機(jī)的排布設(shè)計提供參考依據(jù)。
　　針對H型風(fēng)力機(jī)自啟動能力較差的問題，以實(shí)驗?zāi)Ｐ蜑閷ο?，研究了H型風(fēng)力機(jī)自啟動的氣動性能。在把計算的風(fēng)力機(jī)自啟動過程中轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線與實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，揭示了風(fēng)力機(jī)的扭矩隨啟動時間的變化規(guī)律。分析了葉片槳距角不同時的風(fēng)力機(jī)自啟動特性，討論了啟動過程中不同時刻槳距角變化對三葉片H型風(fēng)力機(jī)二維非定常粘性速度場的影響。
　　此外，還采用