相同叶尖速比不同转速的垂直轴风力机气动性能分析
相同叶尖速比不同转速的垂直轴风力机气动性能分析
作者：黄鹏王宏光
来源：《能源研究与信息》2014年第03期
摘要：在不考虑连杆、转轴及叶尖损失的简化模型基础上，利用Fluent软件采用雷诺平均Navier-Stokes方程与k-ω SST湍流模型对直叶片垂直轴风力机进行了数值模拟.对比了相同叶尖速比λ=4，叶轮半径r分别为1 m和2 m的垂直轴风力机的气动性能.结果表明，在来流风速
V∞和叶尖速比λ相同的情况下，不同半径的垂直轴风力机具有十分相似的翼型表面压力分布，对应位置处的升、阻力系数相差不大.
关键词：直叶片垂直轴风力机；叶尖速比；数值模拟；涡量图；俯仰频率
中图分类号： TP 392文献标志码： A
垂直轴风力机的叶轮绕着垂直的转轴旋转，相比水平轴其优点是可以接受任何方向的风，无需对风装置，结构相对简单，成本低[1].由于垂直轴风力机气体流动是典型的非定常流动，相比水平轴风力机更加复杂，所以对其采用的理论模型，例如单流管模型、多流管模型、双多流管模型等[2]，都存在着许多局限与不足.
随着计算流体力学CFD的发展，数值模拟技术日趋成熟.该方法具有信息量大、成本低、重复性好、模型易于修改等优点，已能快速准确地模拟垂直轴风力机风轮的外部流场.本文采用Fluent软件和滑移网格技术对直叶片垂直轴风力机进行数值模拟，研究叶尖速比相同、转速不同时垂直轴风力机流场特性，并探讨影响风力机翼型流场的主要因素.
1建模与数值计算
1.1简化与建模
对直叶片垂直轴风力机而言，由于z轴方向的截面翼型处处相等，且不考虑风轮中连杆、转轴等组件对叶轮周围的流场影响，因此建立的2D简化模型如图1所示.
1.2计算区域网格划分
计算区域如图2所示.整个计算区域为圆形，分为3个部分，其中：Z1、Z3均为静止部分；Z2为旋转部分.对叶片周围的网格进行必要的加密处理，旋转部分和叶片局部网格划分如图3所示.对Z1、Z2区域采用结构型网格，Z3区域采用四边形为主的非结构网格，Z2区域是滑移网格的运动区域，翼型周围采取椭圆形法画结构型网格，并对叶片表面进行边界层加密，加密网格共20层，按照1∶1.1的比例进行递增.经过验证得到坐标的无因次距离y+满足1≤y
1.3计算条件设定
计算的边界条件为：左侧半圆弧边界采用速度入口边界，方向取x轴为正方向；右侧圆弧边界出口采用压力出口边界，压力值采用默认值；将旋转部分Z2与静止部分Z1、Z3的交界面设定为滑移网格交界面[4].
对叶轮流场进行瞬态计算，湍流模型选取k-ω SST模型，采用Simple算法求解，动量项、湍动能耗散率以及湍动能项均采用二阶迎风差分格式离散.设定计算时间步数为3 000步，单次迭代50步.
2数值模拟结果与分析
2.1模拟目标分析
垂直轴风力机旋转过程中，其叶片速度三角形如图4所示，其中：V∞为当地来流速度；VL、Vm分别为叶片旋转的线速度与叶片的相对速度，VL=ωR，ω为旋转角速度，R为叶片半径；θ为翼型所处方位角.
式中：α为翼型与相对来流间的攻角.
由式（1）即可得到叶轮旋转过程中攻角α随方位角θ的变化曲线，如图5所示.可见攻角随着叶轮转动呈周期性变化，即叶尖速比一定时攻角变化规律一定.当λ=4时，-14.4°
可见，叶片在某方位角下的相对速度与VL、V∞以及所在位置攻角α有关.
本文在来流速度V∞=10 m·s-1和叶尖速比λ=4的条件下，模拟计算了半径分别为1 m和2 m的风力机叶轮瞬态流动情况.
2.2数值计算结果与分析
量值差别过大，图6（a）、（b）分别采用了不同的标尺范围，其中图6（a）标尺范围为0～30，图6（b）标尺范围为0～10.从图中可明显看出，r=2 m时的涡量大小和分布密度都小于r=1 m时的情况.这是由于在半径较小时，叶轮以更高的角速度完成一个周期，导致周围更小范围内流场的变化更剧烈.
旋转半径不同时需考虑离心力对翼型表面附面层的影响.图7与图8分别给出了不同半径时方位角分别为90°和330°处叶片压力分布，图中代表内表面压力的虚线的分布角速度较大时，内侧压力有比较明显的增大现象.
另外，由于两种半径时的角速度相差一倍，且攻角变化范围相同，r=1 m和r=2 m两种情况可以看做是叶片在攻角-14.4°≤α≤14.4°，以相差一倍的频率进行俯仰振荡.相关研究[5]表明，
随着频率的增大，最大升、阻力系数曲线趋势相同，最大值基本没有变化而升、阻力系数所包含的的面积变大.这一特性可以从图9给出的r=1 m和r=2 m时升、阻力系数随α的变化曲线中看出，且文献[5]表明，随着频率上升这一差别会更加明显，可以推断：叶尖速比保持不变而转速差别更大时，垂直轴风力机的流场会有更加明显的差别.
2.3流场中尾迹涡对翼型气动性能影响
为了进一步说明流动中尾迹涡对翼型气动性能的影响，对比几组翼型压力分布曲线，分别是叶片开始进入尾迹涡带、完全处于涡带中以及运动出涡带.通过对比两种半径情况下的翼型压力分布能够比较形象地分析涡流对翼型气动性能的影响.
可看出：进出涡带的过程中叶片压力分布没有明显变化，说明单条涡带对叶片压力分布影响不明显.图12为流场涡量与翼型局部涡量对比图.由图12（a）、（b）对比可知，叶片表面的附着涡量在104以上，而紧邻叶片尾部的尾迹涡量在103左右，流场中的脱落涡涡量更是在102以内，这可能是由于单条尾迹涡对叶片表面压力分布影响不明显造成的.
由此可知，在叶尖速比相同、转速不同的垂直轴风力机高速旋转时，流场中尾迹涡对叶片表面压力分布的影响不是局部的，而是整体的.
3结论
根据数值模拟结果可以发现，叶尖速比相同情况下相同叶片类型的垂直轴风力机叶轮叶片表面压力分布规律大致相同，但是存在的有限偏差也是不能忽视的.差异主要来自于3个方面：①尾迹涡的大小与分布密度；②俯仰频率的不同对升、阻力系数的影响；③半径不同导致叶片附面层的离心力不同，从而造成叶片表面压力分布的不同.
参考文献：
[1]张国铭.论建造兆瓦级垂直轴式风力发电机组的合理性[J].水利电力施工机械，1995，17（4）：32-36.
[2]MAZHARUL I，DAVID S K T，AMIR F.Aerodynamic models for Darrieustype straightbladed vertical axis wind turbines[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008（12）：1087-1109.
[3]于冲，王旭，董福安，等.y+值对翼型气动参数计算精度的影响研究[J].空军工程大学学报：自然科学版，2012，13（3）：25-29.
[4]潘宏林.垂直轴风力机设计与非定常流动分析[D].上海：上海理工大学，2010.
[5]姚迪，陈康民，戴韧，等.低雷诺数振荡翼型非定常气动性能研究[J].可再生能源，2009，27（5）：15-18.。
小型H型垂直轴风力发电机气动性能分析的开题报告
小型H型垂直轴风力发电机气动性能分析的开题报告一、研究背景风力发电是一种环保、可再生的清洁能源，而小型H型垂直轴风力发电机具有结构简单、启动风速低、抗风能力强等优点，被广泛应用于各种户外设备中。
然而在一定的风速下，小型H型垂直轴风力发电机效率较低，气动性能研究的不足也是其发展的制约因素之一。
因此，对小型H型垂直轴风力发电机气动性能的分析研究，可以为提高其效率、优化其设计提供有力支撑。
二、研究目的本研究旨在通过理论和数值模拟方法，对小型H型垂直轴风力发电机的气动性能进行分析和研究，探索优化其结构设计和提高其性能的方案。
三、研究内容1. 研究小型H型垂直轴风力发电机的结构特点及工作原理；2. 建立小型H型垂直轴风力发电机的数值模型，仿真计算其气动特性；3. 分析小型H型垂直轴风力发电机的流动场特征、气动力特性等；4. 探索小型H型垂直轴风力发电机的结构优化方案，并仿真计算其性能提高效果。
四、研究方法本研究主要采用理论和数值模拟相结合的方法，具体包括：1. 理论计算和分析：通过数学方法和基本气动原理，分析小型H型垂直轴风力发电机的结构特点和气动性能。
2. 数值模拟：使用计算流体动力学（CFD）方法，建立小型H型垂直轴风力发电机的数值模型，采用标准k-ε湍流模型分析分析流动场特征、气动力特性等。
3. 实验研究：结合理论计算和数值模拟结果，设计并开展小型H型垂直轴风力发电机的实验研究，验证数值结果的可靠性。
五、研究意义本研究将为小型H型垂直轴风力发电机的设计和制造提供理论依据和数值分析结果，可以指导产品优化设计和性能提升，促进其在各个领域的应用和推广，推动清洁能源的普及与发展。
垂直轴风力机概述及发展优势剖析
第28卷,总第163期2010年9月,第5期节能技术ENERGY CONSERVAT I O N TEC HNOLOGYV ol 28,Sum No 163Sep 2010,No 5垂直轴风力机概述及发展优势剖析莫晓聃,李 涛(昆明理工大学机电工程学院,云南 昆明 650093)摘 要:本文简要介绍了垂直轴风力机的各种类型及其原理特点,然后对垂直轴风力机与水平轴风力机在结构设计、空气动力学性能、环境的影响等多方面进行了比较,体现了垂直轴风力机的独有优势,并得出垂直轴风力机发展前景广阔的结论。
关键词:风力发电机;垂直轴;水平轴;比较;优势中图分类号:TK83 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2010)05-0450-04Types and D evel op m ent Advantages of V ertical AxisW i nd Turbi neMO X iao-dan ,LI Tao(Kunm i n g Un iversity of Science and Techno l o gy ,Kunm i n g 650093,Ch i n a)Abst ract :This thesis firstly g i v es a general i n tr oduction of vari o us types o f vertica l ax is w i n d turbinescharacter i s tics and opera ti o na l pri n c i p les .Besi d es ,by co mpari n g the vertical ax is w ind t u rb i n es w ith the horizonta l ax isw i n d turbi n es fro m the perspectives o f structural desi g n ,aer odyna m ic perfo r m ance and en vir onm enta l i m pac,t it can be concl u ded that severa l un i q ue advantages of the vertical ax isw ind turbines are the m ain reason to support t h e pro m isi n g deve l o p m ent of vertical ax is w i n d turbine i n future .K ey w ords :w i n d turbines ;vertical ax is ;horizontal ax is ;co m pare ;advantages收稿日期 2010-04-26 修订稿日期 2010-08-25作者简介:莫晓聃(1984~),男,硕士研究生在读,研究方向为垂直轴风力发电机的设计与性能优化。
小型垂直轴风力机叶片气动特性模拟与分析
（ 国矿 业 大 学 机 电工 程 学 院 ， 苏 徐 州 中 江 ２１１） ２ １６
［ 摘
要 ］ 针对 Ｎ Ｃ ４ １ 型风力发 电机扰流 流动特点 ， Ａ Ａ ４ ２翼 建立 了二维和三维不 可压 缩湍流模型 ， 并对
基 于流体连续性方程和 Ｎ—ｓ方程 及 ｋ一８湍流模 型 的二 维流 场进行 数 值模 拟计 算。采 用 多参考 系计 算 （ Ｆ 模型 ， Ｆ Ｕ Ｎ ＭＲ ） 用 Ｌ Ｅ Ｔ模 拟 了流场 内翼型截面的受力情 况和 速度分布情 况， 得到 了 Ｎ Ｃ ４ １ Ａ Ａ ４ ２翼型风机 的
的空气 动 力特 性 。
图 １ 风 轮 示 意 图
图 ２ 风 轮 二 维模 型
１ 计 算 模 型 的 参数 和 建 模 过 程
设 风轮 的额定 风速 为 ７ ５ ｍ ｓ额定 转速 为 ８ ９ｒｄ ｓ ． ／ ， ． ａ／ 。风轮 的高度 为 ８ ４ｍ， 径为 ４ ２ｍ， ． 半 ． 叶片 弦 长 ２ｍ。单个 的风 机 叶片截 面为翼 型 ， 型截面 的几何线 型是 由翼 型数据库 ｐｏ ｌ导 出的 Ｎ Ｃ ４ １ 翼 ｒｆｉ ｉ Ａ Ａ ４ ２翼
第２ ６卷 第 ５期
Ｖ０ ． Ｎｏ ５ １２６ ．
荆楚 Ａ － 学院 学报 Ｙ －
Ｊ ｕ ａ ｆ ｉｇ ｈ ｉｅ ｓｔ ｆＴ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒ ｌｏ ｎ ｃ ｕ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｎ Ｊ ｙ
２１ ０ １年 ５月
Ｍ ａ ０１１ ｖ２
小 型垂 直 轴 风 力机 叶 片气 动 特 性模 拟 与 分析
制 机构等装 置 置于低 空 ， 需要 加装迎 风装置 ， 不 投资成 本低 ， 但是 垂直轴 风力 机外形 一般为 轴对 称 的 ， 这 使 风力机有 一半 的迎 风面 做负功 ， 因而风 能利用 效率较 低 。
H型垂直轴风力机气动设计参数分析(多流管)
Ana lysis on design param eter of H2type vertica l ax is w ind turb ine
WAN G Z i2yun1, 2 , ZHON G X ing2can1 , YU Yu1
(1. China Railway Eryuan Engineering Group Co. , L td, Chengdu 610031, China; 2. Southwest J iaotong University, Chengdu 610031, China)
2009年 ,第 6期 - νϖ -
新能源及工艺
根据动量定律有 :
Cthrust = 4a ( 1 - a )
(2)
式中 : a为速度诱导因子 。
由 ( 1) 式和 ( 2) 式通过迭代计算 , 可得速度
诱导因子 a,其中 Ct , Cn 计算根据特定翼型空气动
力学特性确定 。然后根据下式确定功率系数 :
0 引 言
近年来国 内 外 开 始 重 视 对 达 里 厄 型 (Dar2 rieus)垂直风力机的研究 ,达里厄风力机的特点是 不需要对风装置 ,传动和载荷部件可安装在地面 , 因此可更方便地配合各种类型的载荷 ,如发电机 、 水泵 、热泵和搅拌设备等 。文献 [ 1 ]对 H 型垂直 轴风力机叶尖速比进行了分析 ,重点讨论了攻角 的变化规律 ,文献 [ 2 ]对 Φ 型达里厄风力机气动 设计参数进行了分析 ,提出优化方案 ,本文采用多 流管模型结合部分经验公式 ,就目前国内普遍关 注的 H 型垂直轴风力机气动设计参数进行分析 , 为其优化设计提供参考 。
∑m
UR
2
Ct
Cp
= N c·λ· i =1
5kW垂直轴风力机气动性能研究的开题报告
5kW垂直轴风力机气动性能研究的开题报告一、研究背景及意义随着全球能源问题的日益严重，可再生能源的利用成为人们关注的焦点。
而风力发电作为一种成熟的可再生能源技术，已经广泛应用于世界各地。
垂直轴风力机特别适合于城市和工业区域，由于该类型风力机具有结构简单、低噪声、可靠性高等优点，也得到了关注。
然而，垂直轴风力机在气动性能方面还存在着一些问题，需要进一步了解和研究。
本研究拟对一台5kW垂直轴风力机进行气动性能研究，旨在探究该型风力机的风叶结构、转速控制、地形环境等条件下的输出特性，进一步完善该型风力机的结构设计和性能优化，提高其发电效率，推动可再生能源技术的发展。
二、研究内容及方法1. 研究对象：5kW垂直轴风力机。
2. 研究目标：探究该型风力机在不同转速、不同环境条件下的气动性能，分析其输出特性。
3. 研究内容：（1）风叶结构设计与优化：根据垂直轴风力机特点，设计合理的风叶结构，优化其气动性能。
（2）转速控制技术研究：分析不同转速下的发电效率和稳定性，研究转速控制技术，提高其输出效率。
（3）环境条件对性能的影响：分析地形环境、气候等对风力机性能的影响。
4. 研究方法：（1）数值模拟：采用计算流体力学（CFD）等方法对风叶结构、气动性能进行数值模拟分析。
（2）试验研究：通过实验验证数值模拟结果，得到实际运行中的数据，分析不同转速、不同环境条件下的性能和输出特性。
三、研究进度计划1. 第一阶段（2个月）：（1）调研相关文献，了解目前垂直轴风力机气动性能研究的现状和发展趋势。
（2）制定研究方案和进度计划。
2. 第二阶段（3个月）：（1）对5kW垂直轴风力机的风叶结构进行建模和计算流体力学模拟分析，得到风叶结构和气动性能的初步设计。
（2）设计转速控制方案，并进行实验验证，分析不同转速下的性能和输出特性。
3. 第三阶段（3个月）：（1）在实验室内部署5kW垂直轴风力机原型，进行性能测试。
（2）分析不同地形环境和气候条件对5kW垂直轴风力机性能的影响，探究优化方案。
垂直轴风力机叶尖速比
垂直轴风力机叶尖速比垂直轴风力机（Vertical Axis Wind Turbine，简称VAWT）是一种以垂直方向旋转的风力发电装置。
与传统的水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有独特的优势，其中之一便是叶尖速比的概念。
什么是叶尖速比呢？简单来说，叶尖速比是垂直轴风力机叶片尖端速度与风速之比。
这一参数对于风力机的性能和发电效率影响重大。
因此，研究和优化叶尖速比成为垂直轴风力机领域的热门话题。
首先，我们来看一下叶尖速比的作用。
叶尖速比可以告诉我们风力机的叶片在不同风速下的运行状态。
较高的叶尖速比可以提高风力机的发电效率，因为这意味着叶片能够更好地抓住风能。
而较低的叶尖速比可能导致能量损失，影响风力机的性能。
其次，了解叶尖速比的影响因素也非常重要。
风速是影响叶尖速比的关键因素之一。
当风速增加时，叶尖速比也会相应增加。
另外，叶片的设计和形状也会影响叶尖速比。
优化叶片的形状可以改变叶尖速比的大小，进而提高风力机的性能。
进一步地，如何优化叶尖速比也是一个需要探讨的问题。
在设计风力机时，可以采用不同的叶片数目和叶片形状来实现叶尖速比的优化。
研究表明，在一定范围内增加叶片数目可以提高叶尖速比。
此外，还可以通过调整叶片的扭矩和倾斜角度等参数，进一步优化叶尖速比并提高风力机的发电效率。
最后，要注意的是，优化叶尖速比不仅仅是一个科学问题，也需要考虑实际应用的可行性。
在设计垂直轴风力机时，必须综合考虑风况、用电需求等因素，以实现最佳的发电效果。
因此，需要进行大量的实验研究和理论分析，以寻找最适合不同应用场景的叶尖速比。
总之，叶尖速比是垂直轴风力机领域的重要参数之一。
了解叶尖速比的概念和影响因素，研究和优化叶尖速比对于提高风力机的性能和发电效率至关重要。
在未来的发展中，我们应该进一步深入研究叶尖速比，并通过实验和理论分析来不断优化这一参数，以实现更高效、可靠的垂直轴风力发电系统。
导流型垂直轴风力机气动特性的数值研究
上海理工大学学报第32卷 第5期J.University of Shanghai for Science and TechnologyVol.32 No.5 2010文章编号:1007-6735(2010)05-0423-04收稿日期:2010-01-13作者简介:王 鑫(1985-),男,硕士研究生.王企鲲(联系人),男,副教授.E mail:wang qk@导流型垂直轴风力机气动特性的数值研究王 鑫, 童正明, 王企鲲(上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093)摘要:分析了传统垂直轴风力机效率低的原因,并数值研究了带有导叶的导流型垂直轴风力机的气动性能.研究结果表明,导叶不仅可以有效地降低因来流对动叶轮吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,而且还有助于改善来流对动叶轮压力面的有效冲击,这些均使该风力机动叶轮的旋转扭矩得到显著增加.因此,导流型垂直轴风力机可以有效克服传统垂直轴风力机性能上的缺陷,有望提高其风能利用效率.关键词:垂直轴风力机;导流叶片;气动性能;数值研究中图分类号:TK 83 文献标志码:ANumerial investigation on aerodynamic performance of the vertical axis wind turbine with guiding impellerWANG Xin, TONG Zheng m ing, WANG Qi kun(School of En er gy an d Pow er Engin eering ,Un iversit y of S han ghai forScience an d Techn ology ,Shan ghai 200093,China )Abstract:Th e reason of why th e vertical axis wind turbine (V A WT )is always with low efficiency was analysed and moreover a new type of VA WT with guiding imp eller was pro posed.The com putational fluid d ynamics technique was introd uced to investigate its aerod ynamic perfo rmance.The results indicate that the guid ing impeller can no t only keep the roto r away from the direct imp act of coming flow on its suction s ection,resulting in d rag torque,bu t also impro ve the effective impact o f co ming flo w o n the pressure sec tion of the ro to r,bo th of which contrib ute to the enhancem ent of driving to rque.Sothis typ e of V A WT can sm oo th away the d efects of traditional V A W T and h opefully imp rove its efficiency.Ke y words:v er tica l a xis w in d tur bin e ;gu idin g im peller ;aer odyn a m ic per f or m an ce ;nu m er ica l in vestiga tion风力机是风力发电系统的动力源,它将风能转化为机械能,进而推动发电机发电.风力机按结构形式大体上分为水平轴和垂直轴两种.水平轴风力机发展较完善,具有较高的效率而作为当今主流的风力机类型得到了广泛的应用.由于水平轴风力机安装难度高、投资成本大且不便移动等缺点,它的使用目前往往主要限于并网发电中,而对于一些小型离网型发电系统,目前使用最为广泛的仍是垂直轴风力机.与水平轴风力机相比,垂直轴风机具有投资成本低、安装方便、便于移动及运行噪音小等特点,其缺点是效率较低.这些在阻力型垂直轴风力机上表现的尤为突出[1].上海理工大学学报2010年第32卷本文分析了阻力型垂直轴风力机低效率的原因,在此基础上提出了一种新型的导流型垂直轴风力机[2].通过CFD(计算流体力学)计算,数值研究了该种导流型垂直轴风力机的气动特性,并与传统的垂直轴风力机性能相比较,论证了本文所提出的导流型垂直轴风力机所具有的优越性.1 导流型垂直轴风力机垂直轴风力机(VAWT )的效率比水平轴风力机低的一个主要原因是当来流冲击垂直轴风轮时,在其迎风面的一侧受到的是有效的推力,而在另一侧受到的是风的阻力,上述两种力的合作用力是推动风轮旋转作功的真正有效动力.图1为一种典型的阻力型垂直轴风力机 风杯的受力分析[3].由于迎风面上一侧风阻的存在,大大降低了垂直轴叶轮的有效受风性能.因此,只要降低该侧上的风阻,即有望能提高垂直轴风力机的效率.为此本文提出一种导流式垂直轴风力机,如图2(a)所示.它主要由导叶与动叶构成,动叶安装在中心,是旋转作功部件,而导叶则围在动叶的外部,是静止部件,主要起导流作用.由于导叶的导流作用,能使来流完全导向左侧动叶的压力面,同时对右侧动叶而言,导叶能起到挡流作用,使来流不直接冲击动叶的吸力面,这样就有望通过简单的二元叶轮来实现对整个垂直轴风力机的作功效率的提高.图1 垂直轴风力机气动受力示意图Fig.1 Aerodynamic forces of the VAWT图2 垂直轴风轮示意图Fig.2 Planar sketch of V AWT图2(b)是与图2(a)相对应的传统无导叶型垂直轴风轮的外形示意图.本文通过CFD 数值计算,比较这两种风轮的气动特性,以检验导叶的作用效果.本文计算所用的风轮外形如图2所示,动叶外径180m m,导叶外径420mm.动叶采用单圆弧型,共5片,导叶采用直叶片,共12片.2 CFD 计算模型与计算方法风力机是一种典型的外部绕流场,而本文所需研究的又是风力机内部流动的细节,因此,整个CFD 模拟是典型的多尺度、大分离和复杂流场的计算.为了获得较高的计算精度,计算所需用的网格数是相当巨大的,这使得计算趋于困难.但考虑到本文所提出的风轮本质上是一个二维结构,作为初步研究,本文将其简化为二维流场处理.整个计算域是二维矩形结构,以导流型垂直轴风力机为中心,上延其导叶外径的4倍,下延导叶外径的12倍,左右方向延伸导叶外径的5倍.网格系统采用三角形非结构化网格,整个计算域的总网格数近70万,如图3所示.在壁面及流动复杂区域处,网格进行的局部加密以提高这些区域内解的分辨率,达到了网格法向无量纲尺寸y +=2.图3 计算网格示意图Fig.3 Co mp utatio nal grid本文的控制方程为二维不可压缩流雷诺时均Navier Sto kes 方程.雷诺应力采用 - 湍流模型进行估计. 为湍动能, 为湍流耗散率.计算采用基于有限体积法的Simple 系列方法.其中,动量方程、湍动能和湍耗散率均采用具有三阶精度的Quick 格式离散[4].边界条件为:a.进口:给定速度及其方向;b.出口:给定背压;c.固壁:无滑移条件.424第5期王 鑫,等:导流型垂直轴风力机气动特性的数值研究采用多重坐标系方法模拟旋转动叶与静止导叶之间的动静结合,以整体残差下降3个量阶、进出口流量偏差小于1%作为计算收敛条件.整个计算采用商用CFD 软件包Fluent 6.3完成.其中,网格生成采用Gambit 组件[5].3 导流型垂直轴风力机气动特性分析在相同来流与动叶转速的条件下,风作用于动叶轮时产生的扭矩越大,则风轮从风中所获得的机械能就越多,该风轮的性能自然越好.定义无量纲扭矩系数M *=M 12V 2 D 2t B (1)式中,M 为风力机动叶轮的总扭矩;V 为来流速度; 为空气密度;D t 为动叶外径;B 为垂直轴风轮的竖直高度.图4为对同一动叶轮加导叶与不加导叶两种情形下总扭矩系数的比较图.图4 两种风轮总扭矩系数比较Fig.4 Torq ue co mp arison o f the two V AWTs图4表明,在相同来流条件下,加导叶后的导流型风力机的总转矩要比无导叶的风力机的扭矩大了近9倍,这充分说明了导叶轮的重要作用.无导叶的传统风力机,由于其右侧动叶受到较大的负转矩,使得风力机的整体有效扭矩大幅下降.当增加导流叶片后,右侧动叶的吸力面被避免了来流的直接冲击,这使负转矩大幅下降;同时由于导叶导流作用,使来流更有力地冲击左侧动叶的压力面,上述两方面原因使整个动叶轮的扭矩得到大幅度的提高.鉴于动叶轮在旋转过程中,动叶片与来流的相对位置不同,其受到的扭矩自然也不同,而图4仅能显示动叶轮总的扭矩大小,而不能准确地揭示动叶片在不同周向位置时所受到的具体扭矩大小.为此,图5给出了有、无导叶情形下两种风轮的动叶片在不同周向位置时的扭矩系数比较.图5中!角为动叶外半径方向与y 轴正向的夹角,以逆时针方向为正,如图2所示.图5表明,没有导风轮作用下的传统垂直轴风力机中,来流对风轮的有效做功区为0!~120!区域(如图2中的角度定义方式).在此区域动叶轮获得了正的扭矩且达到最大.与之相对,在240!~360!区域内,来流对叶轮起到的是阻力,故其扭矩表现为负值且达到最小.这两个区域的扭矩一正一负几乎被抵消,从而导致整个动叶轮总扭矩的下降.与之显著不同的是,本文所提出的带有导叶的风轮上,有效扭矩(即正扭矩)出现了双峰现象,30!~170!区域与240!~300!区域上均出现正扭矩.其中,前者为主要有效做功区,且由于导叶的导流作用使该有效做功区的扭矩强度明显增加.导流叶片的阻流作用尽管不能将动叶的阻力扭矩(即负扭矩)完全消除,但在图5中至少表明,导流型垂直轴风力机的阻力扭矩要远小于对应的无导叶风轮.图5 两种风轮不同周向位置各风叶扭矩系数比较Fig.5 T orque coe fficient co mpariso n of the two VA WT sat different circumferaential angles图6(见下页)给出了有、无导叶的两种垂直轴风力机在各个不同位置上流速矢量分布图.图6(a)表明,在无导叶时,来流直接作用于动叶的吸力面,产生了阻力扭矩,降低其作功功率.而添加导叶后,来流对动叶片的有害冲击被明显削弱,一部分来流被导流到动叶轮的有效做功区,推动动叶做功;另一部分则被扰动成旋涡而使其机械能耗散殆尽,从而降低了对动叶吸力面的有害冲击,改善了整个风力机的工作性能.导流叶片的作用不仅能减少来流对动叶片吸力面的冲击阻力,而且对于风力机的主要做功区域也能起到明显积极作用,图6(b)所示,由于导流叶片的存在,改善了来流对动叶轮的有效冲击,使原本在动叶外部作无效绕流的流体被导流至风力机动叶轮425的有效作功流道.尽管流体流经导叶时会存在一定的能量损失,但总体来说仍然有助于改善来流对动叶轮的冲击,从而提高了风力机对风能的接收.图6 两种风轮内流速分布的比较Fig.6 Velocity compariso n o f the two V AWTs定义压差系数C ∀P =P p -P s 12V 2(2)式中,P p 为动叶压力面上压力;P s 为动叶吸力面上压力.在图6(c)中,随着动叶的相对位置改变,带有导叶的风力机仍能有效地接收更大量的来流冲击,这就说明其在转动状态下有着较好的动力连续性.图7(a)给出了动叶轮在该位置(图6(c)中靠底部)时,动叶片上压差系数沿叶片无量纲弦长#的分布.图7(a)表明,在导叶的作用下,改善了来流对动叶片的冲击角度与位置,使沿叶片弦长的压力面与吸力面对应点的压差分布更趋均匀化,且明显高于无导叶情形的风轮.由于压差力是推动动叶旋转的有效作用力,因此,这就从另一方面解释了导叶对风轮的积极作用.图6(d)表明,不带导叶的动叶轮内部由于边界层的分离而产生较大的旋涡,使来流的动能耗散,降低了其对动叶轮的推动作用.增加导叶后旋涡消失,使来流更好地作用于动叶压力面而产生有效的推动功.图7(b)给出了动叶轮在该位置(图6(d)中靠底部)时,动叶片上压差系数沿叶片无量纲弦长的分布.在无导叶的情形下,该动叶的压力面产生流动分离,其压力很低,而对应吸力面仍有流体绕流通过,则压力相对较高,这使整个动叶片上的压差为负,从而产生阻力扭矩,降低动叶轮旋转动力.当加上导叶以后,有效抑制了流动分离,改善了流动性能,使动叶片的压差得到显著提高,这有助于提高动叶轮的有效旋转扭矩.图7 两种风轮的风叶压差系数沿叶片弦长的分布Fig.7 Pressure d ifference o f the two V AWTsalong the blade chord4 结 论在对传统垂直轴风力机低效率原因分析的基础上,数值研究了带有导叶的导流型垂直轴风力机的气动性能.通过与不带导叶的传统垂直轴风力机的流动性能相比较,研究表明,导叶不仅可以有效地降低因来流对动叶轮吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,而且还有助于改善来流对动叶轮压力面的有效冲击.这些均能显著提高动叶轮的整体动力矩,从而增加该种风力机的运行效率.这有望改变长期以来垂直轴风力机因其低效率而未被广泛采用的现状.本文的工作是初步性的,旨在论证导叶的作用.不难发现,如果完善对导动叶的叶片型线、角度等参数的优化匹配,必将能更好地显示出导流型垂直轴风力机的优势.这些优化工作将在以后陆续发表.(下转第432页)0<x41<B<x31定理4的证明与定理3相同,此处省略.定理5 假定条件(H1)-(H3)成立,且当x+y>0,t∀J时,有∃1f(t,x,y)<x+ y成立,则边值问题(1)不存在正解.证明 假设边值问题(1)存在正解x,则x1>0,且对任意t∀[0,1],x(t)#0,x=maxt∀J x(t)∃12%%10&(s)f(s,x(s),x&(s))d s<12%%10&(s)d s∃-11x1x&=maxt∀J x&(t)∃14%%10&(s)f(s,x(s),x&(s))d s<14%%10&(s)d s∃-11x1因此x1=x+x&<34%1&(s)d s∃-11x1=x1矛盾,故定理5成立.证毕.与定理5类似,可得定理6成立.定理6 假定条件(H1)-(H3)成立,且当x+y>0,t∀J时,有∃2f(t,x,y)>x+y成立,则边值问题(1)不存在正解.参考文献:[1] 李芳菲,贾梅,刘锡平,等.三阶三点边值问题三个正解的存在性[J].应用泛函分学报,2007,9(4):358-367.[2] 续晓欣,梁月亮,桑彦彬.三阶两点边值问题单调递减正解的存在惟一性[J].山东大学学报(理学版),2008,43(12):84-92.[3] EL SHAHED M.Positive solutions for nonlinear singular third order bounda ry value problem[J].Communica tions in Nonlinear Science and Numeric al Simulation,2009,14(2):424-429.[4] ZHANG Xuemei,G E Weigao.Postive solutions for ac lass of boundary value problems with integral boundary conditions[J].Computers and Mathematic s with Ap plic ations,2009,58(2):203-215.[5] FENG Meiqiang,JI Dehong,GE Weigao.Positive solutions for a cla ss of boundary value problem with integralboundary conditions in Banach space[J].Journal ofComputational and Applied Mathematics,2008,222(2):351-363.[6] 郭大钧,孙经先,刘兆理.非线性常微分方程泛函方法[M].第2版.济南:山东科学技术出版社,2006.(上接第426页)参考文献:[1] 田海娇,王铁龙,王颖.垂直轴风力发电机发展概述[J],应用能源技术,2006,11(11):22-27.[2] 蒋本华.导流式全风向垂直轴风力机:中国,ZL200620006299.2[P].2007-02-21.[3] 李庆宜.小型风力发电机[M].北京:机械工业出版社,1982.[4] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001.[5] WA N G Qikun,CH EN K ang min.N umer ical investigation of aero dy nam ic per formance influenced by cir cum fer entially pre swirling co ming flo w on the cr ossoverand de sw ir ling cascade o f a multistag e centr ifugalco mpr esso r[J].F rontier s of Ener gy and Po wer Eng i neering in China,2007,1(4):435-440.。
风力发电机组叶片的气动性能分析
风力发电机组叶片的气动性能分析近年来，随着环境保护意识的增强和可再生能源的迅速发展，风力发电成为了重要的清洁能源之一。
而风力发电机组的叶片作为其中的关键组成部分，其气动性能的分析对于提高发电效率具有重要意义。
本文将重点探讨风力发电机组叶片的气动性能分析，并深入研究其原理和影响因素。
一、气动性能分析的原理风力发电机组叶片的气动性能分析是通过计算机辅助工程（CAE）软件来模拟和预测叶片在风场中的响应。
其中，主要采用的方法是数值模拟和风洞试验。
数值模拟方法基于流体力学和数学模型，通过模拟风场中的流体流动，计算叶片表面的压力分布、力矩和阻力等参数，以评估叶片的性能。
而风洞试验则是通过实验室环境中的风流模拟真实的风场，通过测量叶片表面压力分布和受力情况，来推导叶片的性能参数。
二、气动性能影响因素分析风力发电机组叶片的气动性能受多种因素的影响，以下将分别介绍其主要影响因素：1. 叶片形状：叶片的外形和轮廓对气动性能有着重要影响。
一般来说，采用更长、更窄的叶片可以提高效率，但是也会增加叶片的结构复杂度和重量。
同时，叶片的翼型横截面的选择也会对性能产生显著影响。
2. 叶片材料：叶片的材料选择直接关系到其强度和重量。
常见的叶片材料包括复合材料、纤维增强塑料等。
合适的材料选择可以在保证叶片强度的同时减轻重量，提高风能利用率。
3. 叶片倾角：叶片倾角对叶片的气动性能也有关键影响。
适当调整叶片倾角可以改变叶片的攻角，实现更好的气动特性，并提高发电效率。
4. 风场条件：风的速度、方向和湍流强度等也是影响叶片气动性能的重要因素。
不同的风场条件需要针对性地进行叶片设计，以获得最佳的气动性能。
三、气动性能分析技术应用风力发电机组叶片的气动性能分析技术广泛应用于叶片设计、优化和性能评估等方面。
1. 叶片设计和优化：基于气动性能分析的数值模拟方法，可以对叶片进行自动化设计和优化，以满足预定的要求和目标。
通过模拟和优化，可以寻找最佳的叶片形状、翼型和倾角等，实现更高效率的风能转化。
垂直轴风力机尾缘开裂襟翼气动性能及其偏转角调节规律
第51卷第4期2020年4月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.51No.4Apr.2020垂直轴风力机尾缘开裂襟翼气动性能及其偏转角调节规律张立军，顾嘉伟，朱怀宝，胡阔亮，江奕佳，缪俊杰，王旱祥，刘静(中国石油大学(华东)机电工程学院，山东青岛，266580)摘要：为提高垂直轴风力机的气动性能，提出在小型3叶片垂直轴风力机叶片尾缘加装开裂襟翼的设计方案。
首先，根据CFD 数值模拟和正交设计得到偏转角对风力机气动性能影响最大；然后，进一步分析了叶尖速比分别为1.5和2.5时襟翼偏转角对风力机气动性能的影响和增升机理；最后，提出了襟翼偏转角调节规律。
研究结果表明：襟翼的较优参数组合为长度l =20%c 、偏转角β=10°和布置位置t =90%c 。
当叶尖速比T SR 分别为1.5和2.5时，较小的襟翼偏转角(0°<β<10°)能提升叶片平均切向力系数C Tavg ，其中，襟翼偏转角β=10°时，风力机的风能利用率C P 分别提升了7.7%和4.6%；与原型风力机相比，应用襟翼偏转角调节规律后，风能利用率C P 分别提升12.4%和10.4%。
关键词：垂直轴风力机；开裂襟翼；正交设计；气动性能；调节规律中图分类号：TK83文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2020）04-0931-13Aerodynamic performance on the trailing edge split flap andregulation law of deflection angle of V AWTZHANG Lijun,GU Jiawei,ZHU Huaibao,HU Kuoliang,JIANG Yijia,MIAO Junjie,WANG Hanxiang,LIU Jing(College of Mechanical and Electronic Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)Abstract:In order to improve the aerodynamic performance of vertical-axis wind turbine (V AWT),a design scheme for adding a split flap on the trailing edge of the small 3-blade V AWT was proposed.Firstly,by using CFD numerical simulation and orthogonal design method,it was found that the deflection angle had the greatest influence on the aerodynamic performance of wind turbine.Secondly,the influences of the flap deflection angle on the aerodynamic performance of the wind turbine and the increasing mechanism of lift were analyzed when the tip speed ratio was 1.5and 2.5respectively.Finally,the regulation law of the flap deflection angle was proposed.The results show that the optimal length (l )is 20%c ,optimal deflection angle (β)is 10°and optimal arrangement position (t )is 90%c .When tip speed ratio (T SR )is 1.5and 2.5respectively,the smaller fixed deflection angle (0°<β<10°)can increase the average tangential force coefficient of the blade.The output power coefficient (C P )increases by 7.7%and 4.6%respectively when deflection angle is 10°.By using the regulation law of flapDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.04.008收稿日期：2019−08−12；修回日期：2019−10−20基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51707204）；中央高校基本科研业务专项资助项目(17CX05021)(Project(51707204)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(17CX05021)supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)通信作者：张立军，博士，教授，从事可再生能源技术和绿色装备制造研究；E-mail:******************.cn第51卷中南大学学报(自然科学版)deflection angle,the output power coefficient increases by12.4%and10.4%respectively compared with that ofthe prototype wind turbine.Key words:vertical-axis wind turbine(V AWT);split flap;orthogonal design;aerodynamic performance; regulation law风力发电机按照主轴相对于地面的安装位置可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。
基于叶片弦长的小型H型垂直轴风机气动性能分析
1 引言无法准确预测风力机的非定常特性，涡方法能够有效地捕捉流场细节，但不适用于小速比范围内的计算[1]，H型垂直轴风力机在较小速比范围内工作，其风轮外流场为非定常流动[2]，应用目前已有的流管法 小型水平轴风力机有安全性能低、噪声大、结构复杂、成本高等缺点，使其在民用领域的发展受到限制。
与之相比小型H型垂直轴风力机具有低速性能好、噪声低、安全性高、对环境破坏小、结构简单、成本低廉等优点而受到研究者的青睐。
特别是近些年来，随着计算流体力学的发展，CFD技术在工程上得到大规模的应用，应用商用CFD软件已能快速准确模拟H型垂直轴风力机外部非定常流场，同各种不同类型风轮外流场，计算结果更直观，更准确。
针对小型H型垂直轴风轮，采用CFD技术进行研究已成为一种趋势。
气动性能的影响，为风力机研究及设计人员提供一些参考。
2 数值计算方法[3~6]2.1 控制方程对于所有流动的计算，一般都是通过求解质量方程和动量守恒方程来完成，当流动是湍流时，迎风差分格式离散对流项，利用移动网格技术，进行瞬态计算。
The Analysis of Aerodynamic Performance for Small H-Vertical Axis Wind Turbine Based on length of Blades Chord基于叶片弦长的小型H型垂直轴风机气动性能分析吴鸿斌 ABSTRACT Aiming at the small H-vertical Axis Wind Turbine with different length of blades chord, construct a CFD model for outside flowfield. Moving mesh technique is used to construct the model, the RNG models and the implicit Couple arithmetic based on pressure is selected to solve the transient equation. Curves for the aerodynamics performance of the wind turbine are got from the result. With the curves how the length of the blade chord affecting the aerodynamic performance of the small H-vertical Axis Wind Turbine is analyzed.KEYWORDS CFD; small H-vertical Axis Wind Turbine; utilization coefficient for wind energy; tip speed ratio摘 要 针对不同弦长下的小型H型垂直轴风轮模型，建立风轮外流场CFD(Computational Fluid Dynamic)模型，采用移动网格技术，选用RNG关键词 图1 垂直轴风力机基本结构 图2 简化后的3D风轮模型图3 简化后的2D风轮模型图1所示为H型垂直轴风力发电机结构简图，H 型垂直轴风力机实际结构较复杂，在进行CFD计算需要对其简化，风轮中连杆、转轴等构件对风轮周围的流场影响不大，在CFD建模时，可以简化掉，简化后的三维风轮模型如图2所示。