垂直轴风力机三维气动性能的数值模拟及分析
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。
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.。
垂直轴阻力型风力机功率计算与Fluent数值模拟
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文 章 编 号 ：０ １ ２ ７ ２ １ ） １ ０ ６ Ｏ １０ —２ ５ （ Ｏ Ｏ Ｏ — ０ ８一 ４
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔａ ｎ ａ ｍａ ｌ ｒ ｇ — ｙｐ ｖ ｒ ｉａ ｓｒ ｃ ： ｋｉ ｇ ｓ ｌ ｄ ａ －ｔ ｅ ｅ ｔｃ ｌ
机 的研 发提供 有益 的借鉴【 ¨。
动 性 能
风力 发 电 ， 也可 以用 于 风 速测 量 ， 风 杯式 风 速
文献标 识码 ： Ａ
垂直轴风力机动态流场及其气动性能分析
Ｅｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｖｏ １ ． ３ ０ Ｎｏ ． ４ ２ ０ １ ４
文章编 号 ： １ ０ ０ ８ —８ ８ ５ ７ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ４ —０ １ ９ ９—０ ５
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａｅ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｉ ｓ ｖ ｅ ｒ ｙ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｘ ｉ ｓ ｗｉ ｎ ｄ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ（ Ｖ ＡＷ Ｔ ） ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ．Ｔｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｆ ｌ ｏ ｗ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｉ ｓ ａ ｌ ｓ ｏ
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Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． １ ３ ２ ５ ９ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｅ ｒ ｉ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ４ ． ０ ０ ４
垂 直轴 风 力机 动态 流 场 及 其气 动性 能分 析
祖 红亚 ，李
摘
春， 叶 舟 ，刘天亮
（ 上海理工大学 能源与动力工程学 院，上海 ２ ０ ０ ０ ９ ３ ） 要 ：垂直轴风力机 气动性能研究是风 力机设计、 实验 的重要 部分 ， 对其运动 状态下的流场进行 分析是观测
H型垂直轴风力机数值模拟与风洞试验
H型垂直轴风力机数值模拟与风洞试验作者：李飏陈永艳蔚蕾郭少真田瑞吴哲韩成荣来源：《绿色科技》2018年第12期摘要：以翼型为NACA0012的3叶片小型H型垂直轴风力机为研究对象，采用数值模拟和试验验证的研究方法，分析了不同安装角、不同旋转直径对于风力机气动性能的影响。
应用Fluent软件求解三维非定常不可压N-S方程和RNG K-e湍流模型，使用Simple算法，采用滑动网格技术，对H型风力机的二维非定常流场特性进行了数值模拟研究，得出了风力机功率曲线图。
分析可知当风力机处于低速状态转动时，主要影响因素是风轮直径。
随着转速的增加，安装角对于风力机气动性能的影响越来越大，随着安装角的增加，风力机的功率出现先增加后减小的趋势。
风洞试验表明，风轮直径在860 mm，转速约300 r/min，安装角4°，风力机的整体效率最高。
数值模拟与风洞试验结果的变化趋势基本相同。
关键词：H型风力机;安装角;旋转直径;数值模拟;风洞试验中图分类号：TK83文献标识码：A文章编号：1674-9944（2018）12-0178-051 引言随着科学技术以及现代经济的快速发展，人类逐渐意识到生存需要消耗大量的能源作为支撑。
然而过度消耗能源必然会导致环境的污染，特别是消耗矿石能源，这些污染又限制了人类社会的发展[1]。
在社会发展的同时，一方面出现了越来越多的污染问题，另一方面人们也开始关注如何才能使生态环境持续发展并且寻找新的可再生能源。
由于风力资源拥有十分丰富的储量、能够再生、不会产生污染、成本较低且十分容易转化等特点，近年来受到了广泛的重视，技术也日益成熟，世界上多个国家都将风能的开发利用作为新能源战略中最为重要的组成部分之一[2]。
与水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有传动简单，气动噪音小，受风性能好且无需迎风系统等优点。
由于垂直轴风力机的流场更加复杂，研究垂直轴风力机气动性能应重点研究垂直轴风力机二维非定常流场。
风力机三维旋转叶片非定常气动特性数值模拟研究
风力机三维旋转叶片非定常气动特性数值模拟研究胡国玉;孙文磊;曹莉【摘要】Based on computational fluid dynamics (CFD) method,this paper simulated the aerodynamic characteristics of NREL Phase VI wind turbine.Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) turbulence models are used in the simulations,and extensive comparisons with experimental data are performed.By the comparison for power,thrust and sectional force coefficients of NREL Phase Ⅵ wind turbine between CFD and NREL,the results at constant pitch and variable wind speed show that the CFD predictions match the experimental data consistently well at low wind speed.At high wind speed,there is a little difference due to the effects of flow separation.The simulation results reveal the unsteady aerodynamic characteristics of wind turbine blade with three-dimensional rotational effect.%文章基于CFD方法对NREL Phase VI风机的气动特性进行了数值模拟.根据NREL定桨变速的实验工况,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),基于k-ω SST湍流模型分析了不同风速工况下的风机叶片流场特性,得到了气流沿叶片展向的流动分布.通过与NREL NASA-Ames风洞实验数据的对比,在低风速时采用CFD仿真的计算结果与实验结果更为吻合;在失速区域,由于气流分离的影响,CFD仿真的计算结果与实验结果对比差异较明显.CFD仿真大体上能够较好地预测实验风机的性能,分析动态失速现象发生的原因,揭示叶片在三维旋转效应下的非定常气动特性.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)006【总页数】5页(P867-871)【关键词】风力发电机;三维旋转效应;非定常气动特性;动态失速;分离流【作者】胡国玉;孙文磊;曹莉【作者单位】新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047【正文语种】中文【中图分类】TK83一般情况下，风力机的气动设计和载荷分析是采用稳态叶素-动量理论BEM[1]（Blade Element Momentum，BEM）进行计算的，但是由于基于二维翼型数据的BEM方法没有考虑到三维旋转效应，导致其计算值偏低。
H型垂直轴风力机气动性能的研究的开题报告
H型垂直轴风力机气动性能的研究的开题报告一、研究背景随着能源危机和环境污染日益严重，风能被认为是未来能源的潜力之一。
垂直轴风力机由于具有结构简单、可靠性高、可适应性强等优点，特别适合用于城市、山区、海岛等非平原地区。
H型垂直轴风力机由于其设计结构的特殊性，被认为是垂直轴风力机中一种比较优良的型号，目前在国内外得到了广泛应用。
考虑到H型垂直轴风力机的气动性能对其电气转换效率有重要影响，因此研究其气动性能具有重要的理论和实际意义。
二、研究目的本文旨在对H型垂直轴风力机的气动性能进行研究，重点关注以下目标：1.探究H型垂直轴风力机的气动特性，包括风速、转速、角度、气动力等参数与风力机性能之间的关系；2.对H型垂直轴风力机进行模拟计算和实验研究，验证气动特性和性能模型的正确性；3.提出改进措施和优化设计方案，提高H型垂直轴风力机的性能。
三、研究内容1.对H型垂直轴风力机的气动原理进行分析，并建立H型垂直轴风力机的气动性能模型；2.利用计算流体力学（CFD）软件对H型垂直轴风力机的气动特性进行数值模拟，并对比实验数据验证模型的正确性；3.在风洞中进行H型垂直轴风力机的实验研究，获取风力机的气动性能指标，较全面地分析其性能特点；4.通过对实验数据和计算结果的分析，提出改进措施和优化设计方案，提高风力机的性能表现。
四、研究方法1.理论分析：通过对风力机的结构及工作原理进行分析，建立其气动性能模型，并推导出气流场和气动力学方程；2.数值模拟：基于CFD软件，对H型垂直轴风力机的气动性能进行数值计算，通过对比实验数据的验证，进一步优化模型；3.实验研究：通过在风洞中对H型垂直轴风力机的气动性能进行测试，验证模型，并提出改进措施和优化设计方案；4.数据处理：将实验数据和数值计算结果进行比对和分析，总结H 型垂直轴风力机的气动特性和性能表现，提出改进建议和优化方案。
五、预期成果1.建立了H型垂直轴风力机的气动性能模型，并对其气动特性进行了详细的分析和研究；2.完成了H型垂直轴风力机的数值模拟和实验研究工作，得出了风力机的气动特性和性能指标；3.提出了改进措施和优化设计方案，提高了H型垂直轴风力机的性能表现；4.撰写了H型垂直轴风力机气动性能的研究论文，发表在国内外权威的学术期刊上。
H型垂直轴风力机翼型的数值模拟及优化
文章编号：1005－0329（2012）10－0033－08H型垂直轴风力机翼型的数值模拟及优化张健宇，李学敏，陈帆，田仁斌（华中科技大学，湖北武汉430074）摘要：H型垂直轴风力机利用机翼叶片的升力作用来驱动叶轮的转动，在叶片转动一周的过程中，机翼上的攻角随时发生变化，因此其气动原理与水平轴风力机有很大不同。
本文先总结了H型垂直轴风力机的升力理论，得出风力机功率的公式，初步分析出风力机运转的一定规律，分析了在不同尖速比条件下机翼上攻角的范围。
然后在NACA0012基本翼型的基础上，通过对翼型采用了两种优化方法，一种是将机翼尾缘高压力面切开的方案，；另一种是将翼型沿中线弯曲的方案。
通过数值模拟的方式，比较了两种方案机翼功率及启动性能的影响。
为寻找优化机翼形成的原因，本文还对最优化的切口方案与原型机翼NACA0012的升阻力系数进行了对比分析，结论表明，在升阻力系数相差不大的情况下，非对称机翼引起的尾迹变化，使得前机翼对下游机翼的干扰变小，是提高整机效率的关键因素，这种优化方式能够提高H型风力机整机效率30%以上。
关键词：风力机；空气动力学性能；功率；叶轮优化；数值模拟中图分类号：TK83文献标识码：A doi：10．3969/j．issn．1005－0329．2012．10．008 Numerical Simulation and Optimization of the Airfoil of H－Type Vertical Axis Wind TurbineZHANG Jian-yu，LI Xue-min，CHEN Fan，TIAN Ren-bin（Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China）Abstracts：Lift aerodynamic forces of aerofoil provide the positive driving torques to the rotor of H－type of vertical axis wind turbines（VAWT）．When the blades were in different angle of location，the angle of attack to the aerofoil changed time by time，thus VAWT has different aerodynamic conditions as those horizontal axis wind turbines do．In this paper，we give the theoretical analysis for the H－type of VAWT．Finally，the total power，torque and the thrust，can all be explained by the lift coefficient and drag coefficient．The attack angle was studied in different tip speed ratio conditions．Then，on the basis of the airfoil of NA-CA0012，use two methods to optimize the airfoil．The first one is cutting high pressure surface in a certain distance away from the trailing edge，the other is bending the airfoil along the center middle curving．By numerical simulation，compare the power of the impact of the optimized airfoil；Simulation results show that the way of chancing airfoil to improve the power and Low wind speed torque method is feasible，and the different ways of the optimization to improve different aspects of airfoil performance．Key words：vertical axis wind turbine；aerodynamic；power；impeller optimization；numerical simulation1前言垂直轴风车可以说是所有风力机的先驱［1］。
风力发电机组气动效应模拟与分析方法研究
风力发电机组气动效应模拟与分析方法研究在风力发电领域，气动效应模拟与分析方法的研究对于提高风力发电机组的性能和效率至关重要。
本文将从数值模拟和实验研究两个方面，深入探讨风力发电机组气动效应的模拟与分析方法。
一、数值模拟方法1. 流场建模：首先需要对风力发电机组的气动效应进行建模，采用计算流体力学（CFD）方法进行流场模拟。
通过数值模拟，可以准确地预测风力发电机组在不同运行状态下的气动特性。
2. 边界条件设置：在进行数值模拟时，需要合理设置模拟的边界条件，包括入流速度、出流边界条件、物体表面边界条件等。
这些边界条件的选择将直接影响模拟结果的准确性。
3. 网格划分：为了提高数值模拟的准确性和效率，需要对计算区域进行合适的网格划分。
细化处在气动效应分析中关键区域的网格，可以更准确地捕捉流场细节。
二、实验研究方法1. 风洞实验：通过在风洞中对风力发电机组进行实验研究，可以获取真实的风力作用下的气动效应数据。
实验结果可以用来验证数值模拟的准确性和可靠性。
2. 传感器检测：在实验过程中，需要设置各种传感器来检测风力发电机组的气动参数，如气流速度、压力分布、升力和阻力等。
通过收集这些数据，可以全面了解气动效应对风力发电机组性能的影响。
3. 数据处理与分析：在实验结束后，需要对采集到的数据进行处理和分析，以得出风力发电机组在不同气动效应下的性能状况。
通过比对数值模拟和实验结果，可以不断改进模拟与分析方法，提高预测精度。
结论风力发电机组的气动效应对其性能和效率有着重要影响，因此气动效应的模拟与分析方法的研究至关重要。
数值模拟和实验研究是两种相辅相成的方法，在实际应用中应结合两者，不断优化和改进模拟与分析方法，为风力发电行业的发展做出贡献。
风力机风轮气动性能三维流场数值模拟.
第 30卷第 17期中国电机工程学报 V ol.30 No.17 Jun.15, 2010 2010年 6月15日 Proceedings of the CSEE ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng. 85 文章编号:0258-8013 (2010 17-0085-06 中图分类号:TM 85 文献标志码:A 学科分类号:470⋅ 20风力机风轮气动性能三维流场数值模拟祝贺 1,徐建源 2,滕云 2,齐宏伟 2(1.东北电力大学建筑工程学院,吉林省吉林市 132012;2.沈阳工业大学电气工程学院,辽宁省沈阳市 1101783D Flow Field Numerical Aerodynamic Performance Test of Wind Turbine Rotor ZHU he1, XU Jian-yuan2, TENG Yun2, QI Hong-wei2(1. School of Architecture Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132012, Jilin Province, China;2. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110178, Liaoning Province, ChinaABSTRACT: Numerical method provide the experimental basis for choosing the best shape of turbine rotor and the blade size so as for wind turbine to reach excellent aerodynamic characteristics. Taking the wind turbine as the object, the numerical test technique was studied based on computational fluid dynamics theory and similarity theory. The wind turbulence mathematical model of the wind farm was established for considering the impact of terrain and wind shear effect. By using similarity theory, the three-dimensional numerical flow field was constructed and realized by computational fluid dynamics software Fluent. Dynamic wind speed and numerical experiment boundary conditions of wind turbine were defined by user-defined function (UDF. Wind turbine aerodynamic performance was studied and the simulation of rotor was completed on the aerodynamic parameters, such as rotor surface pressure, rotor rotational speed and moment time-history dataetc. The results show that the aerodynamic performance trendof wind turbine rotor obtained by using numerical test and field measurement would keep similarrity.KEY WORDS: wind turbine; rotor; aerodynamic performance; 3D flowfield;numerical test摘要 :数值试验方法可为选择最佳形状风轮翼型和风轮尺寸, 使风力机具有优异的空气动力特性提供试验依据。
工程力学毕业设计-垂直轴风机叶片翼型的空气动力分析
哈尔滨理工大学毕业设计题目：垂直轴风机叶片翼型的空气动力分析院、系：建筑工程学院工程力学系姓名：王健指导教师：隗喜斌系主任：李东华2014年 6月 19日哈尔滨理工大学毕业设计题目：垂直轴风机叶片的空气动力分析院、系：建筑工程学院工程力学系姓名：王健指导教师：隗喜斌系主任：李东华2014年 6月 19日垂直轴风机叶片的空气动力分析摘要随着化石能源的过度消耗以及环境问题，风能越来越受到重视，各国都在努力开发风能资源。
近几年我国的风能发电事业有了很大的发展，但我国关于风力发电技术的研究仍远落后于先进国家，尤其是对叶片的研究。
本文所研究的是一个应用于H型三叶片垂直轴风力机上的叶片，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，主要工作和成果如下:（1）回顾风力发电的研究背景，介绍以往垂直轴风力机的研究工作，并阐述了垂直轴风力机的空气动力学设计理论，给出了垂直轴风力机的流管理论模型，分析了垂直轴风力机的运行状态。
（2）应用动量-叶素理论中的双盘多流管模型计算分析了相同雷诺数情况下多种应用较广泛的翼型。
由此筛选出了较适合本文设计目标的翼型，并确定了用来进一步验证叶片性能的风轮结构的主要结构参数。
（3）利用Gambit软件建模、FLUENT软件进行流场分析，改变雷诺数、攻角和叶片翼型，通过对叶片升力、阻力、升阻比的变化趋势，得出NACA 0012，NACA 0018，NACA 2415，NACA 4415四种翼型中最适用于叶片制造的翼型。
关键词：垂直轴风机；叶片翼型；气动性能；数值模拟Aerodynamic Analysis Of Vertical AxisWind Turbine BladesAbstractWith excessive consumption of fossil energy and environmental issues, people are increasingly pay attention to the wind energy , some countries are trying to develop the wind energy resources. In recent years, China's wind power business has been greatly developed, but our research on wind power technology is still far behind the advanced countries, especially in the study of the blade. It is studied in this paper is applied to the blades of a H-type three-bladed vertical axis wind turbine on the theoretical analysis and numerical simulation methods, the main work and results are as follows:（1)Review of wind power research background, previous research work introduces a vertical axis wind turbine, and expounded the theory of aerodynamics design vertical axis wind turbine, given the current administration on the vertical axis wind turbine models, analyzes the vertical axis wind turbine operation.（2）It is applied is Momentum - Double blade element theory of multi-model analysis of the flow tube at the same Reynolds number airfoils wider variety of applications. Thus screened out more suited to this article airfoil design goals, and identified the mainstructural parameters used to further validate the performance of the wind turbine blade structure.（3) The use of Gambit software modeling, FLUENT software flow field analysis, changing the angle of attack vane airfoils and, through the blades, lift, drag, lift-drag ratio, torque and trends around the blade pressure, velocity summary was NACA 0012,NACA 0018,NACA 2415,NACA 4415 the airfoil blade airfoil is ideal for manufacturing.Key words：Vertical axis wind turbine；Blade airfoil；Aerodynamic performance；Numerical Simulation目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1论文研究的背景 (1)1.2垂直轴风机的介绍 (3)1.3文章中名词及缩写介绍 (6)1.4本文的研究意义和研究方法 (7)第2章垂直轴风机气动性能的理论研究 (9)2.1流管法 (9)2.2涡方法 (10)2.3动量一叶素理论 (13)2.3.1经典的动量一叶素理论 (13)2.3.2修正的动量一叶素理论 (16)2.4垂直轴风力机流管理论模型 (17)第3章数值模拟及分析结果 (21)3.1 NACA0015翼型建模 (21)3.2雷诺数对气动特性的影响 (23)3.3厚度对气动特性的影响 (25)3.4弯度对气动特性的影响 (28)3.5本章小结 (32)结论 (34)致谢 (35)参考文献 (36)附录A (38)附录B (43)第1章绪论1.1 论文研究的背景目前人类发展和生存面临的最紧迫的问题就是能源和环境问题。
一新型立轴风力机直叶片翼型气动特性数值模拟
— 一
前缘
弦长ｃ
——— Ｉ
后缘
图 １ 翼 型 几 何 参 数
２１ ００年 １ ２ 日收 到 ，１月 ３ 日修 改 Ｏ月 ５ ｌ
２ 翼型的气动性能
当气 流流 经翼 型 叶 片 时 ， 叶片 下 面 的气 流 压力
第一作者简介 ： 丁剐 （９ ５ ） 汉族 ， 陈 １８ 一 ， 江苏省宿迁人 ， 昆明理工大
网格 数 目达 到一 定 程度 时 ， 已可 以较 好 地 反 映实 际
情况 ， 此时 若 盲 目地 继 续 增 加 网格 数 目， 会 明 显 不 提高计 算精 度 ， 而 增 加 了计 算 所 耗 资 源 ， 反 降低 计 算速度 Ｊ 。本 算 例 采 用 Ｈ 型结 构化 网格 ， 翼 型 对 上 表面 布置 １２个节 点 ， 表面布 置 １ １个节 点 ， ３ 下 ３ 整
科
学
技
术
与
工
程
１ １卷
降 ，于是叶 片受到 了 向上 的作 用力 。可 分解 为 与气
流方 向平 行 的阻力和 与气流 方 向垂 直 的升力 。
２ １ 阻 力 系 数 ．
３ ２ 计算 网格 的划 分 ． Ｇ ＭＢ Ｔ是 Ｆ Ｕ Ｎ Ａ Ｉ Ｌ Ｅ Ｔ的前 处 理 软 件 ， 的主 要 它 功 能是生 成 计 算 网格 。 如果 计 算 域 网 格 划 分 过 于
式 （ ） ： 气 体 密 度 ；ｏ为 来 流 密 度 ； 翼 型 １ 中 Ｐ为 Ｖ Ｃ为
弦长 。
２ ２ 升 力 系数 ．
个 流场 计 算 域 网格 数 为 ３ ４ 其 翼 型 网 格 如 图 ６２０（
屋顶H型垂直风力机气动性能CFD计算方法研究
0 引言 风能是一种清洁的可再生能源，风力发电提
供的大量清洁电力可替代常规火力发电，具有巨 大的生态环境效益和社会效益。我国风电产业自 2006 年以来保持强劲的发展势头，装机容量屡 创新高。然而，在风电装机高速增长的同时，弃 风限电问题也日益严重 [1]。《风电发展“十三五” 规划》中明确指出，在负荷中心发展分布式风力 发电，是解决风电消纳问题的重要途径之一。容 量相对较小、分散布置的分布式风电，已成为电 力系统的重要组成部分 [2,3]。近年来，城市楼顶 风能的利用引起了国内外学者的广泛关注 。 [4-6] 与应用在野外风场的水平轴余量不同，垂直轴风 力机具有无需对风装置、结构相对简单、安装维 修方便等优势，尤其是 H 型垂直轴风力机，结
力发电的 H 型垂直轴风力机 ( 如图 1 所示 )，在 风洞中进行了全尺寸实验，与其他垂直轴风力机 实验相比，该实验修正了由风轮支撑臂阻力及测 试系统误差等因素造成的功率损失，获得了理想 条件下的风力机功率系数值，实验功率系数值被 各国学者用作 H 型垂直轴风力机数值模拟技术验 证研究 [17,18]。风力机风轮直径为 2.5 m，旋转主 轴直径为 0.1 m，叶片为 NACA0015 翼型，当叶 片长 3 m，弦长 0.4 m。当风速为 10 m/s 时，风 洞实验测得尖速比 λ=1.6 时有最大功率系数 0.34。 该尖速比下，叶片的雷诺数在 1×105～7.5×105 之 间变化，属于典型的垂直轴风力机工作的雷诺数 范围 。 [19] 本文采用不同湍流模型、网格单元形 状和时间步长计算该实验风力机在各尖速比下的 功率系数。鉴于现代垂直轴风力机常采用功率控 制方法使之在最大功率系数下工作 ， [20] 本文还 将通过比较风轮在最大功率系数时叶片的瞬时力 矩来分析不同方法计算时差异产生的原因。
变攻角垂直轴风力机三维定常流场数值模拟
设计与研究变攻角垂直轴风力机三维定常流场数值模拟姚 激1,黄剑峰1,2,彭明军3,孙 勇3,袁伟斌4(1.昆明理工大学建筑工程学院,云南昆明650024;2.云南农业大学水利水电与建筑学院,云南昆明650201;3.昆明理工大学材料科学工程学院,云南昆明650093;4.浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014)N umerical Simulat ion on 3D St eady f or Different Angles of Attack of V ertical Ax isWind TurbineYAO Ji 1,HUANG Jian -feng 1,2,PENG Ming -jun 3,SUN Yong 3,YUAN We-i bin 4(1.Faculty of Civ il Eng ineer ing and Ar chitect ur e,K unming U niversity o f Science and T echno lo gy ,K unming 650024,China;2.Faculty of W ater Resour ces,H y dr aulic Po wer and A rchitecture,Y unnan Ag r icultural U niversit y,K unming 650201,China;3.Faculty of M ater ials Science and Eng ineer ing,K unming U niversit y of Science and T echno log y,K unming 650093,China;4.Co llege o f Ar chitect ur e and Civil Engineering ,Z hejiang U niv ersity of T echno lo gy ,H ang zho u 310032,China)摘要:应用Fluent 软件求解三维定常不可压N -S 方程,采用k - 湍流模型和SIMPLE 算法,结合MRF 复合坐标系技术,模拟垂直轴风力机(VAWT )的流场特性.获得并分析了不同攻角下的速度场、压力场分布,得到风轮叶片压力分布和转矩值.结果表明绕流场模拟能有效地反应风力机不同攻角下的流场状况,可为垂直轴风力机的工程设计提供理论依据.关键词:雷诺时均方程;垂直轴风力机;M RF 模型;k - 湍流模型中图分类号:T K83文献标识码:A文章编号:1001-2257(2011)07-0021-03收稿日期:2011-03-14Abstract:Using com putational fluid dy nam ics (CFD)softw ar e Fluent,3D steady incom pressible N -S equation w as so lved,and the flow characteris -tics of vertical axis w ind tur bine(VA WT)w as sim -ulated by using tur bulence m odel and SIM PLE a-l g orithm,besides com bined w ith the com plex co or -dinate system technolog y o f MRF.T he velocity field,pressure field distribution of differ ent ang le w ere obtained and analy zed,then the pressure dis -tribution of blade and the torque w er e o btained to o.T he results sho w ed that simulatio n of the am -bient flow field can r eflect the flow conditions o fdifferent ang les effectively,and could prov ide thereference to the engineering desig n of vertical axis w ind turbine.Key words:Rey no lds tim e averag ed equation;vertical axis w ind turbine;MRF model;k - turbu -lence mo del0 引言垂直轴风力机是一种无需迎风系统、传动简单的风力机.对于垂直轴风力机的叶片一般采用直叶片,即沿翼展方向为同截面.对垂直轴风力机性能预测模型有单流管模型以及Strick 提出的多流管模型,这两种模型可以计算过流断面风速和叶片上的气动力,但在高、低尖速比时求解可能出现不收敛的问题.随着计算机软/硬件技术的飞速发展,计算流体力学[1-2](CFD)技术逐渐成为研究风力机的重要手段.参考文献[3]针对小型H 型垂直轴风轮,选用RN G k - 两方程湍流模型与滑移网格技术,分析了弦长对小型H 型垂直轴风轮气动性能的影响;参考文献[4]中通过求解二维非定长不可压缩N -S 方程和k - SST 湍流模型,采用PISO 速度压力修正算法,结合滑动网格技术,研究了垂直轴风力机的流场特性.参考文献[5]采用k - SST 湍流模型对不同来流风速下的直叶片垂直轴风力发电机风轮进行二维数值模拟,分析了三叶片与五叶片风轮流场分布及压力场分布的异同.参考文献[6]采用滑移网格技术21 机械与电子 2011(7)设计与研究变攻角垂直轴风力机三维定常流场数值模拟对直叶片垂直轴风力机进行了非定常数值模拟,得到了尾流速度、特定过流面得速度分布规律.参考文献[7]应用大涡模拟(LES)对VAWT 气动特性进行了数值模拟.使用基于有限体积法(FVM )的商业软件Flu -ent,结合M RF 复合坐标系技术对某型垂直轴风力机进行流场模拟,研究其变攻角下垂直轴风力机的流场特性以及风轮叶片压力和转矩变化规律.1 数值方法1.1 控制方程流体流动受到质量守恒、动量守恒和能量守恒三大物理定律的支配.若用 表示通用变量,设 为u 、v 、w 3个方向的速度矢量和温度T 等求解变量; 为流体密度; 为扩散系数;S 为广义源头项;U 为u 、v 、w 3个方向矢量.即可得控制方程(即守恒定律的数学描述)的通用形式为:( ) t +div ( U )=div( gr ad )+S (1)1.2 湍流模型采用雷诺(Reynolds )平均法,设u i 、u j 为速度矢量;p 为压力;x 、x i 、x j 为方向矢量; 为湍动黏度; u i uj 为对应6个不同的雷诺应力项,即3个正应力和3个切应力.即求解雷诺时均(RAN S )方程,描述如下:t + x i( u i )=0(2)( u i ) t + x i (p u i u j )=- p x +x iu i x j- u i u j +S i (3)标准的k - 双方程模型需要求解湍动能k 和耗散率 的输运方程:Dk Dt = x i + i k kx i+G k -(4)D Dt = x i +i x i +G 1kG k -C 22k (5) t = Ck 2(6)G k = i u i x j +u j x i u ix j(7)表示湍动耗散率 为:= u i xk ujx k(8)其中, i 为湍流涡团粘性系数;G k 是平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项;G 、C 1、C 2、 k 和 为经验常数.取值为:G =0.09,C 1=1.44,C 2=1.92, k =1.0, =1.3.2 算例2.1 计算实例和网格生成计算实例:三叶片H 型,来流风速v =15m /s,GOE0035翼型,弦长C =1.0m ,安装半径为6m,叶片高度为3.5m,转速为20r/min.根据攻角不同,分为6种计算工况,其中工况1为攻角3 ,工况2为攻角5 ,工况3为攻角8 ,工况4为攻角10 ,工况5为攻角15 ,工况6为攻角20.采用M RF 复合坐标系技术,计算域分成固定和滑动部分,叶片随滑动部分一起做旋转运动.计算域网格如图1a 所示,叶片周围网格如图1b 所示.计算域范围:x min =-16m ,x max =40m ,y max,min = 16m ,z min =0m ,z max =3.5m ,网格总数为556059,旋转区域网格数为35616,单元总数为512880.图1 计算域与网格风轮状态如图2所示,其中Blade N.1、Blad -eN.2和Blade N.3为风轮的3个叶片,编号分别为:B 1、B 2、B 3.图2 风轮状态2.2 边界条件风轮外流场如图1a 所示,风向由左向右,边界22 机械与电子 2011(7)变攻角垂直轴风力机三维定常流场数值模拟设计与研究条件设定如下:a.进口边界.速度边界条件,给定垂直进口速度为15m/s.b.出口边界.压力边界条件,给定出口压力为0Pa(相对压力).c.壁面边界.外流场南北边界为无滑移壁面边界,描述黏性流动中的零滑移壁面条件,默认设置.叶片和转动轴为壁面边界,描述黏性流动中的零滑移壁面条件,默认设置.相对旋转速度为0,方向由右手定则确定.d.叶轮旋转流体.M RF 模型(multiple refer -ence frame model),20r/min,方向由右手定则确定.MRF 模型称为复合坐标系模型,是Fluent 软件的一种解决静止和运动区域并存问题的方法.2.3 求解过程及收敛判定将建立的模型导入Fluent 中,进行数值求解.采用标准湍流模型,压力与速度耦合采用SIM PLE 算法求解,动量采用二阶迎风差分格式离散.在求解过程中,监控变量的残差、升力系数、阻力系数和力矩系数以判定求解过程是否收敛.3 数值结果分析限于篇幅,仅给出了工况2(即攻角为5 )的速度分布与压力分布.3.1 速度分布图3为整个计算区域的速度分布.从图3可以看出,上游流速接近入口流速,到风轮旋转区域流速逐渐增大.风轮叶片周围速度梯度明显,翼缘前端图3 计算域速度分布流速较大,其中以B3叶片翼缘前端流速最大.从风轮旋转区域到下游静止区域,形成一个狭长的尾流区域,该部分区域的风速大于自由气流的风速,且随着远离风轮旋转区域,速度逐渐减小.这主要是狭长区域内尾流与自由气流对流,两者的速度梯度引起附加的切变湍流.尾流与自由气流的混合,使得两者的速度梯度逐渐消失.3.2 压力分布图4为整个计算区域的压力分布.从图中可以看出,整个计算区域压力梯度变化较为平缓,上游进口处压力较大,在风轮的迎风面上,叶片所受压力较大,而在风轮的背风面上叶片所受压力较小,叶片所形成的压力差最终驱动风轮转动,此压力对旋转区域中心形成转矩推动风力发电机发电.图4 计算域压力分布3.3 转矩作用于风力机叶片的空气动力通过对叶片表面压力和剪切应力积分求得,空气动力乘以力臂就可以得到风力机叶片产生的转矩.表1为6个工况下3个叶片分别产生的转矩以及各个工况下的总转矩.从表1可知,在风速相同的情况下,风轮在不同的攻角下,同一位置上的叶片上的转矩不同.B1叶片的转矩都表现为推动风轮的转矩,且随着攻角的增加,转矩增加,工况6(即攻角为20 )的B1叶片的转矩最大.而B2与B3叶片的转矩则表现为随着攻角的增加,转矩由推动风轮的转矩过渡到阻止风轮转动的转矩,其中工况1(即攻角为3B2与B3叶片的转矩均最大,而工况6的B2与B3叶片的转矩均为阻止风轮转动的转矩.各个工况的总转矩有比较大的差异,工况2(即攻角为5 )的总转矩最大,而工况6(即攻角为20 )的总转矩最小.表1 各工况转矩表工况转矩(N m)B1B2B3总转矩(N m)1-2260.63-2006.97-3443.12-7710.732-2704.41-1982.37-3206.05-7892.823-3471.75-1361.17-2296.01-7128.934-3841.20+857.70-1646.75-6345.655-4726.68+1160.16-515.86-4082.376-5628.59+3617.56+639.95-1371.08注: -"表示推动风轮转动的转矩, +"表示阻止风轮转动的转矩.23 机械与电子 2011(7)设计与研究4 结束语数值方法是当今风力机研究的重要手段之一.通过建立模型,对三叶片(GOE0035翼型)垂直轴风力机在不同攻角下的流场进行了数值模拟,获得并分析流场特征.结果表明,叶片在流场的位置的不同,叶片产生的转矩不同;不同的安装角下,风力机的总转矩不同,对于计算模型,工况2(即攻角为5 )的总转矩最大,Fluent作为风力机的气动性能计算和预测是实际可行的.进一步改进模型或进行三维非定常数值模拟,能更加准确计算风力机的气动性能和载荷,但是数值方法的应用仍然受到计算机硬件和软件条件的限制.参考文献:[1] 王福军.计算流体动力学分析 CF D软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.[2] 韩占忠.F luent 流体工程仿真计算实例与分析[M].北京:北京理工大学出版社,2009.[3] 郑 云,吴鸿斌,杜堂正,赵宇波,柯 坚.基于叶片弦长的小型H型垂直轴风机气动性能分析[J].机械设计与制造,2009,(5):190-192.[4] 阳志钦,崔文篆.垂直轴风力机二维非定常流场数值模拟[J].现代制造工程,2009,(8):56-58.[5] 金雪红,梁武科,李 常.风速对垂直轴风力机风轮气动性能响[J].流体机械,2010,38(4):45-49.[6] 杨从新,巫发明,张玉良.基于滑移网格的垂直轴风力机非定常数值模拟[J].农业机械学报,2009,40(6):98-102.[7] Akiyoshi Iida A kisato M izuno,K eiko Fukudome.Nu-mer ical simulation of aero dy namic noise radiated for mvert ical ax is w ind turbines[A/CD].Pr oceeding s of18Int ernational Co ng ress on A co ustics,2004[C].作者简介:姚 激 (1974-),男,湖南岳阳人,讲师,博士研究生,研究方向为风力机叶片翼型及流场的数值模拟;黄剑峰 (1978-),男,云南楚雄人,讲师,博士研究生,研究方向为流体机械的数值模拟.304不锈钢紧凑拉伸裂尖应力强度因子有限元分析韦尧兵,刘俭辉,王风涛(兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050)Stress-intensity Fact ors A nalysis of304Stainless Steel CT of Crack T ipWEI Y ao-bing,LIU Jian-hui,WANG Feng-tao(School of M echanical and Elect ronical Eng ineer ing,L anzhou U niversity of T echnolog y,Lanzho u730050,China)摘要:304不锈钢结构在工程应用中经常发生疲劳断裂.利用有限元数值模拟方法对304不锈钢制成的紧凑拉伸试样进行二维分析,通过J积分计算应力强度因子.使问题满足平面应力条件,通过对数据处理,分析载荷大小和裂纹长度对应力强度因子的影响.把有限元计算的结果和经验公式对比,分析误差及有限元方法的可行性.关键词:304不锈钢;紧凑拉伸试样;J积分;应力强度因子;有限元方法收稿日期:2010-11-22中图分类号:TH114O346文献标识码:A文章编号:1001-2257(2011)07-0024-03Abstract:304stainless steel frequently in eng-i neering applications.Finite element num er ical mod-eling is used to make tw o-dimensional analy sis of compact tensio n specimens made by304stainless steel,calculating str ess intensity factor s by J inte-gr al.M aking the specimens meet the plane stress conditio ns,by data pro cessing,analy ze the effects on stress-intensity factors of lo ad mag nitude and24机械与电子 2011(7)。
垂直轴风轮机叶片气动特性模拟与分析
垂直轴风轮机叶片气动特性模拟与分析杨溢;谭宗柒;叶惠军;周玉琼【摘要】With the help of the software of Gambit, a two-dimensional flow model for a small H-type vertical axis wind turbine is established; and the airfoil surface is NACA4412. On the basis of the continuity equation, Navier-Stokes(N-S) equations and k-ε model, with adopting the computational model of multiple reference frames, the force and velocity distributions of the aerofoil sections in the flow field are simulated by using Fluent; and the aerodynamic characteristics of the wind turbineare are gained when the attack angle is 20°.%利用Gambit前处理软件,建立了翼型面为NACA4412的小型H型垂直轴风力发电机叶片的二维流场模型.在连续性方程、N-S方程及k-ε模型的基础上,采用了多重坐标系(MRF)计算模型,利用Fluent软件模拟了流场内翼型截面的受力和速度分布情况,得到了攻角为20°时NACA4412翼型风机的空气动力学特性.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(034)006【总页数】3页(P77-79)【关键词】垂直轴风轮机;气动特性;Fluent;多重坐标系【作者】杨溢;谭宗柒;叶惠军;周玉琼【作者单位】三峡大学机械与材科学院,湖北宜昌 443002;重庆市电力公司万州供电局,重庆404000;三峡大学机械与材科学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材科学院,湖北宜昌 443002;三峡大学机械与材科学院,湖北宜昌 443002【正文语种】中文【中图分类】TH113目前，世界上应用较为普遍的主要是水平轴风力机.然而，随着对垂直轴风力机研究的深入，其优势也逐渐突显出来.相对于水平轴风力机来说，垂直轴风力机具有低速性能好、噪声低、对环境破环小、结构简单、成本低廉等优点［1］.因此，对其发电功率的精确计算、风能利用评价以及风力机结构的研究，可以为其它复杂垂直轴风力机的研究、设计奠定良好的基础.随着计算流体力学的发展，CFD技术在工程上得到了大规模的应用，采用CFD软件已能快速准确模拟H型垂直轴风力机外部流场的非定常流动，同时能获得各叶片力、扭矩等［2－3］.采用CFD技术对小型 H型垂直轴风力机进行研究已经成为一种非常准确有效的手段.1 建立CFD模型1.1 模型简化垂直轴风机实际结构比较复杂，在进行CFD计算时需要对其进行简化.风轮中连杆、转轴等结构对风轮周围的流场影响不大，在CFD建模时可以简化.同时，考虑到三维模型在计算时占用大量内存，花费时间较长；二维模型在计算过程中忽略了两端的损失，计算结果会比三维的略大，但仍然能够反映风能的气动规律.因此，建立二维的计算模型.简化后的模型如图1所示，图中α为叶片安装攻角，R为叶片安装半径，l为叶片弦长，其基本参数见表1.图1 垂直轴风力机简化模型表1 垂直轴风力机叶轮基本参数叶片翼型叶片数量／片安装攻角／°安装半径／m 安装高度／m叶片弦长／m NACA4412 5 20 3 5.4 11.2 建立模型多重坐标系模型（Multiple Reference Frame，MRF）的基本思想是把风力机旋转区域简化为叶轮在某一个位置的瞬时流场，将非定常问题用定常方法计算.建模时将计算区域分成静止区域和转动区域.具体建模步骤如下：1）翼型采用NACA4412翼型截面，其几何线型由翼型数据库Profili导出点坐标，添加z＝0坐标，保存为.dat格式；再导入Fluent前处理软件Gambit，生成翼型面；将翼型面向x轴负方向移动0.3m，然后绕原点旋转－20°，再沿y轴方向移动3m；最后以坐标原点为中心复制其它4个翼型面，沿圆周方向均匀分布，每个翼型面间隔72°.这里将翼型面统称为face.1.2）分别建立半径为3.2m、10m的圆面face.2和face.3；执行布尔减运算，用face.3减去face.2，同时保留face.2，得到一个圆环即静止区域；用face.2减去翼型面face.1，即为转动区域.1.3 网格划分静止区域采用结构化网格划分，其形状规则、网格生成速度快、质量好、数据结构简单；转动区域使用非结构化网格，有利于进行网格的细化［4］.具体步骤如下：1）在静止区域，Elements对应的类型为Quad，Type对应的类型为 Map，Interval Size的值为0.2，面网格个数为10 676个；在转动区域Elements对应的类型为Quad，Type对应的类型为Pave，Interval Size的值为0.1，面网格个数为3 046个.2）结合动网格技术以及后续Fluent计算需要，设置边界条件和流场区域类型.最终的网格图如图2所示，输出二维网格文件.msh.图2 垂直轴风力机模型网格图2 数值仿真与分析空气流动要遵循基本物理守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律.由于低速流动下风轮周围的流动为定常流动，将空气视为常温下不可压缩流体，不考虑传热影响，无需求解能量守恒方程.其公式如（1）～（3）所示［5］：质量守恒方程：动量守恒方程：将.msh文件导入Fluent中，选择二维单精度求解器.检查网格后设置标准k－ε模型，最后设定流体区域的边界条件.计算残差迭代过程如图3所示.图3 计算过程残差迭代图设风轮的额定风速为12m／s，额定转速为9.0 rad／s，最后利用 MRF模型进行求解，其中方程离散采用二阶迎风格式（second order upwind），压力速度耦合采用Simple计算.设定残差收殓级数为0.000 01，迭代次数设为4 000，所得结果分别如图4～7所示.从图4、图5压力分布图可以看出，叶片所受压强的最大值为2 260Pa，叶片处压力波动较大；在下翼型面靠近后缘部分出现小涡流；下表面压强比上表面压强高，且作用面积大，上下表面的压力差构成了叶片的升力.从图6可以看出，垂直轴风力机叶片所在的圆域，即旋转区域，速度较大，其变化也比较大，速度最大为19.25m／s，最小为9.86m／s；速度向区域内外逐渐减小，中心处速度为0.从图7可以看出，NACA4412翼型升力系数较大，阻力系数低，具有较大的升阻比，其气动性能较好.图7 升力、阻力系数迭代图3 结语通过Gambit建立了翼型面为NACA4412的小型H型垂直轴风机叶片的二维模型，并进行了网格划分，在额定风速为12m／s，额定转速为9.0rad／s的条件下，利用Fluent软件中的MRF模型对攻角为20°的五叶片二维风机模型进行了空气动力学计算，叶片所受压强的最大值为2 260Pa，且波动较大；垂直轴风力机叶片所在的圆域，即旋转区域，速度较大，其变化也比较大，速度最大为19.25m／s，最小为9.86 m／s；速度向区域内外逐渐减小，中心处速度为0.结果表明，该翼型具有较好的升阻比，有利于提高风力机的效率，可以为叶片的气动设计提供参考. 参考文献：［1］廖明夫，Gasch R，Twele J.风力发电技术［M］.西安：西北工业大学出版社，2009.［2］陈丁刚.垂直轴风力机直叶片的力学性能分析［D］.昆明：昆明理工大学，2011.［3］王巧红，张洛明，李博.小型垂直轴风力发电机风轮流场的三维数值模拟［J］.机械设计与制造，2010（4）：216－218.［4］于勇.Fluent入门与进阶教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2008. ［5］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京：清华大学出版社，2004：120－123.。
仿鱼脊翼型垂直轴风力机三维性能
仿鱼脊翼型垂直轴风力机三维性能宋磊;马超;张明柱;杨宗霄【摘要】为了提升阻力型垂直轴风力机的风能转换效率,在已提出的仿鱼脊翼型风力机结构基础上,利用非定常流体力学瞬态数值模拟分析方法,基于滑移网格法和剪切应力输运(SST)k-ω湍流模型,进行风力机典型结构参数对风能转换效率影响的三维性能分析,获得了风力机气动性能曲线.分析结果表明:随螺旋角的增加,效率系数降低的趋势明显;随高径比的增加,该风力机的效率系数呈现递增趋势,高径比为3.5 的风力机峰值效率系数相对于高径比为 1.0 的风力机峰值效率系数提升了36.5%.风力机高径比和螺旋角参数导致风力机的压力场产生了不同程度变化,从而影响了风力机的气动性能.【期刊名称】《河南科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)005【总页数】6页(P12-16,27)【关键词】垂直轴风力机;风能转换效率;数值模拟;气动性能【作者】宋磊;马超;张明柱;杨宗霄【作者单位】河南科技大学机电工程学院,河南洛阳 471003;河南科技大学低风速风电技术河南省工程实验室,河南洛阳 471003;河南科技大学机电工程学院,河南洛阳 471003;河南科技大学机电工程学院,河南洛阳 471003;河南科技大学低风速风电技术河南省工程实验室,河南洛阳 471003【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言在中小型风力机市场的驱动下，适合小型化发电的阻力型垂直轴风力机受到了风能界学者的广泛关注。
与传统水平轴风力机[1]相比，以Savonius风力机为代表的垂直轴风力机的风能转换效率偏低，限制了其应用。
为提高风力机的转换效率，文献[2-4]通过螺旋角、安装角、叶片曲率等结构参数对垂直轴风机性能进行了探索。
文献[5-6]针对各种不同叶片形状的Savonius风力机进行了研究，获得最佳叶尖速度比对应的最大效率系数和扭矩系数。
文献[7]认为增加盖板也是一种有效提高风机效率的方法。
具有大实度直线翼垂直轴风力机气动特性数值模拟
具有大实度直线翼垂直轴风力机气动特性数值模拟
李岩;佟国强;曲春明;冯放
【期刊名称】《排灌机械工程学报》
【年(卷),期】2022(40)7
【摘要】针对实度对直线翼垂直轴风力机气动特性的影响,以采用NACA0018翼型小型直线翼的垂直轴风力机为对象,选取了0.30和0.35共2种较大的实度,每种实度下的叶片数分别为3,4,5.利用数值模拟的方法研究不同条件下直线翼垂直轴风力机的静态启动特性和动态功率特性.结果表明:在大实度情况下,叶片数对风力机气动特性的影响较大.在相同实度时,叶片数的增加能够降低各个方位角下静态力矩系数的波动,并对反向力矩有所改善,但会使最大力矩系数降低;在旋转状态下,叶片数的增加会减小最佳尖速比前的功率系数上升速度并降低功率系数,且最佳尖速比后的功率系数降低速度也减小.当叶片数相同时,具有0.35实度的风力机静态平均力矩系数大,且多数方位角下的力矩系数大于实度为0.30的风力机;在风力机旋转状态下,实度为0.30的风力机最大功率系数大于实度为0.35的风力机.
【总页数】6页(P701-706)
【作者】李岩;佟国强;曲春明;冯放
【作者单位】东北农业大学工程学院;东北农业大学寒地农业可再生资源利用技术与装备黑龙江省重点实验室;东北农业大学文理学院
【正文语种】中文
【中图分类】S277.9
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1.叶片后加小翼垂直轴风力机气动特性数值模拟
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5.国家自然科学基金青年科学基金项目《结冰对直线翼垂直轴风力机空气动力特性影响的研究》通过验收
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垂直轴风力机三维气动性能的数值模拟及分析
作者：惠万馨， 顾煜炯， 刘莎莎， 王向志， HUI Wanxin， GU Yujiong， LIU Shasha， WANG Xiangzhi
作者单位：华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京,102206
刊名：
现代电力
英文刊名：Modern Electric Power
年，卷(期)：2013,30(1)
被引用次数：1次
1.戴庚;徐璋;皇甫凯林垂直轴风力机研究进展[期刊论文]-流体机械 2010(10)
2.王兵兵垂直轴风力机气动性能分析及结构设计 2011
3.张庆麟风力机叶片三维气动性能的数值研究 2007
4.张亮;孙阳;张学伟竖轴潮流水轮机流场的数值研究 2009
5.祝贺;徐建源;滕云风力机风轮气动性能三维流场数值模拟[期刊论文]-中国电机工程学报 2010(17)
6.杨从新;巫发明;张玉良基于滑移网格的垂直轴风力机非定常数值模拟[期刊论文]-农业机械学报 2009(06)
7.阳志钦立轴风力机气动性能与数值模拟研究 2009
8.陈卫勇基于CFD数值模拟的垂直轴风力机气动设计 2010
1.倪佩佩.张海杰.吴国庆.王颖达麻花型垂直轴风力机三维气动性能的数值模拟及分析[期刊论文]-制造业自动化 2013(23)
引用本文格式：惠万馨.顾煜炯.刘莎莎.王向志.HUI Wanxin.GU Yujiong.LIU Shasha.WANG Xiangzhi垂直轴风力机三维气动性能的数值模拟及分析[期刊论文]-现代电力 2013(1)。