相同叶尖速比不同转速的垂直轴风力机气动性能分析
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。
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
ｏｎ ｔ ｈｅ ａ ｉ ｒ ｆ ｏｉ ｌ ｆ ｌ ｏ ｗ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ａ ｔ ｔ ｈｅ ｄ ｏｗｎ ｗｉ ｎｄ， ｔ ｈｅ ｆ ｌ ｏ ｗ ｓ ｅ ｐａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｉ ｓ ｎｏ ｔ ｏｂｓ ｅ ｒ ｖｅ ｄ．
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。
浅析水平轴风力机叶片设计叶尖速比的选择
浅析水平轴风力机叶片设计叶尖速比的选择
钟贤和;赵萍;曾明伍;李杰
【期刊名称】《东方汽轮机》
【年(卷),期】2010()1
【摘要】设计叶尖速比是风力机叶片设计中需要考虑的重要因素,文中分析了叶尖速比对叶片的弦长、载荷、气动性能、整机的功率和发电量等的影响,讨论了设计叶尖速比的选择。
并分析得出增大设计叶尖速比,能够减小叶片弦长、载荷、成本,提高气动性能,但会使机组发电量有所下降的结论。
【总页数】4页(P31-34)
【关键词】风力机叶片;叶尖速比;气动性能;功率曲线
【作者】钟贤和;赵萍;曾明伍;李杰
【作者单位】东方汽轮机有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TK83
【相关文献】
1.垂直轴风力机叶尖速比分析研究 [J], 陈忠维
2.相同叶尖速比不同转速的垂直轴风力机气动性能分析 [J], 黄鹏;王宏光
3.用叶尖叶片控制水平轴风力机转速的研究 [J], 清水幸丸;蔡千华
4.叶尖速比在风力机气动设计中的作用及能准确控制最佳叶尖速比的设计方法 [J],
阮志坤
5.不同倾斜角叶尖小翼水平轴风力机气动性能 [J], 蔡新;林世发;胡莉;郭兴文因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
翼尖小翼对H型垂直轴风机气动性能的影响研究
ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ Ｆ ｌ ｅｎ ｕ ｔ ｔ Ｏ ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｉ ｎ ｄ ｆｅ ｉ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｆａ ｏ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ． Ｎｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｉ ｎ ｉ ｓ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｗ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅ ｔ
ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｎ ｆ ｖ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘ ａ ｎ ｄ ｚ ｆ ｉ ｔ ｏｒ ｆ ｃ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｃｌ ｎ ｓｉ ｕ ｏｎ ｄ ｒ ａ ｗ ｎ ｓ ｉ ａ ｌ ｓ ｏ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｂ ｙ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｈ— ｔ ｙ ｐ ｅ
是 最受关注 的一种 。Ｈ型垂直轴风机利用空气流过 叶片产生 升 均升力 Ｌ与展弦 比的对应关系 ， 取得两者之 间的定性关 系结论 。 力在切向的分力作为驱动力实现风 机旋转 ， 其 切向力 由叶片前 ２ ． １ 建立模型 后 表面的压差产生 。由于压差的存在 ， 在风机叶片的翼尖处 ， 高 模型的翼型采用 Ｎ Ａ Ｃ Ａ Ｏ ０ １ ５翼型 ，其参数设 置 ，如表 １ 所 压表面的气流会绕过翼尖流向低 压表 面， 形 成翼尖涡流 ， 风力 机 示。 网格划分使用分块 的结构化网格 ， 为了提高计算精度 ， 在 叶片 叶尖涡从旋转叶片的尖部生成 ， 以螺旋状 向下游发展１ ２ １ ， 致使翼 的周 围对 网格 进 行加 密 处 理 。 叶 片附 近 的 网格 划 分 ， 如图 １ 所示。 尖附近压差降低 ，叶片的升力下降。翼尖涡流是造成叶片效率 设定来流速度为 ｌ Ｏ ｍ ／ ｓ ，以叶片弦长为参考长度 的雷诺数 为 Ｒ ｅ ＝ 降低的主要原因之一 ＿ 引 。为了减小翼尖涡流 ， 在 大型 飞机上一般 ５ ． ４ ８ ｘ １ ０ ４ ， 湍流模型使用标准 ｋ － ｅ 模型 ， 壁面方程为非平衡壁 面方 采用加装翼尖小翼 的方法 ， 用 以减小这种 不利影响 。文献 用 程， 时间为定常 ， 采用二 阶迎风格式离散 ， Ｓ Ｉ ＭＰ Ｌ Ｅ算法求解离散 数值模拟方法研 究了不同条件下垂直轴风机的气动性能。德 国 后的代数方程。 某公司为抑制生成扰 流和旋涡 ，在水平轴风机叶片端部加装 了 表 １不同展弦 比模型的参数设置 “ 小翼 ” ９ ［ １ 。参 照机翼与水平轴风机上的方法 ， 基于 Ｎ Ａ Ｃ Ａ Ｏ ０ １ ５翼
Darrieus型垂直轴风力机气动特性研究
Darrieus型垂直轴风力机气动特性研究∗史瑞静;李凤婷;樊小朝;王维庆【摘要】本文结合叶素动量算法，研究了Jacobs等人建立的关于达里厄型垂直轴风力机的几种数据库，并进行了研究比对。
基于美国桑迪亚国家实验室的现场可靠的实验研究，通过建立在几种数据库上的模拟仿真和实验数据比对，研究表明，叶素动量算法模拟结果可以和大多数的数据库很好的吻合，但是动态失速条件下例外，尤其是在低雷诺数时，原因是对升力系数过低的估算。
研究还表明，在不同型号不同转速条件下Jacobs数据曲线更接近于实验曲线，因此，利用叶素动量算法对达里厄型垂直轴风力机进行仿真模拟研究时，应首选Jacobs数据库。
%The different aerodynamic databases of Jacobs and other researchers are studied and compared. The databases are adopted in conjunction with a Blade-Element Momentum algorithm. Experimental data deriving from Sandia National Laboratories field test available in literature for a wide range of rotor sizes are considered and compared to the simulation results. Research shows that Blade Element-Momentum Algorithm simulation results are consistent well with most of the database, but the dynamic stall exceptional conditions, especially at low Reynolds number, because of the low lift coefficient estimates. The study also showed that different models under different conditions Jacobs speed data curve is closer to the experimental curve. Therefore the results highlight that the Jacobs database should be preferred for BE-M simulations. Overall, the main databases available in literature are considered and the results obtainedcompared, in order to provide the vertical axis turbine researchers with a practical indication on the methodology to apply for their studies.【期刊名称】《新疆大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】5页(P492-496)【关键词】流体力学;垂直轴风力机;气动数据库;空气动力系数;气动特性【作者】史瑞静;李凤婷;樊小朝;王维庆【作者单位】新疆大学电气工程学院，教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学电气工程学院，教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学电气工程学院，教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐830047;新疆大学电气工程学院，教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047【正文语种】中文【中图分类】TK810 引言由于垂直轴风力机自身的特性，相对于水平轴风力机，人们对它们的使用越来越感兴趣.垂直轴风力机直接与发动机的底部位置相连，设计简单，并且结合最简单的控制策略，该策略不需要任何的变桨或偏航机构，在城市和非常偏僻地区都可以建设，不管在哪所需维护的工作量都是最小的.另一方面，由于垂直轴风力机特有的非稳态工作条件，其特点是空气动力学的复杂性.因此，必须要有灵活和可靠的设计方案，这些方案是得到实验数据的预先验证的[1,2].研究表明，关于垂直轴风力机的复杂的空气动力特性的模拟，已经建立了不同的数值模型，目前主要有三种数值模型.第一种模型是Strickland的“多重流管”模型，后来Paraschivoiu考虑“双盘”的改进模型，该模型具有的优势是能快速估计整个功率曲线，并且完成生产设计，但另一方面，结果的可靠性依赖于所采用的气动数据库的质量和扩展度[3].第二种模型是对达里厄涡改进的尾涡模型，是一种关于空气动力特性的新的见解，在另一方面，相对于前面提到的方法，此模型所需的仿真计算时间明显的增加[4].第三种计算流体动力学（CFD）能够最准确的描述风力机的空气动力特性，但是，在另一方面，也需要更多的计算时间，这限制其用于最终测试运行仿真及对风机的设计[5−7].1 物理模型在“双重流管”模型中，双驱动转盘分为逆风和顺风转子，其中诱导因子（感应系数）表示由于自由流与叶片相互作用的气流速度的变化率，定义式为其中va表示空气自由流速度，vb表示叶片气流速度.感应系数等同于翼型叶片上的力产生的动量的变化，为了得到简单可靠的收敛模型，提出了逆风时的瞬时流向力之间的方程式[8]通过叶素理论可以得到类似的公式其中ρ表示空气密度，r表示叶片半径，∆θ表示方位角网格尺寸，∆z表示高度网格尺寸，θ表示方位角，vu,wu分别是当地的风速和逆风向时叶片的相对速度，N 为叶片的数目，l是弦长，δ是叶片局部斜率，CN和CT分别为法向和切向气动力系数，CN和CT公式由空气动力学系数导出其中α表示攻角.类似地可以导出顺风时的诱导因子，可以清楚地看出，空气动力系数在对性能估计的迭代求解中有重要作用，对它们的选取应特别注意.特别的，由于不同相对速度引起的运行情况，使得雷诺数在较大范围内变化.为了从空气动力学的数据库获得最可靠的估计，攻角和雷诺数通过插值法选取，该插值算法是采用分段三次埃尔米特插值多项式算法（Piecewise Cubic Hermite Interpolating Polynomial：PCHIP），可以得到更平滑的内插，比样条内插法要好.对风力机动态失速的研究，不同的研究者提出了不同的空气动力特性模型.叶片在周期性旋转变化，气动力系数不同于静态值，特别是在失速时[9].基于CT切向气动力系数，气动转子的力矩可表示为其中Nθ和Nv分别是方位角和垂直网格数，wi为逆、顺风向时叶片的相对速度.最后，功率和功率系数被定义为其中ω为旋转速度，AS为转子扫掠面积.2 垂直轴风力机的气动特性Sheldahl等人建立了关于垂直轴风力机的BE-M模拟的数据库[10]，根据实验得到的数据库主要涵盖三种类型的机组：NACA 0009、NACA 0012和NACA 0015，雷诺数范围在3.5×105∼7×105，该数据库还可以通过数值算法依次拓展到NACA 0018、NACA 0021和NACA 0025，并且适合更大范围的雷诺数，还可以应用到定常流低雷诺数的垂直轴风力机.NACA 0012在低雷诺数时气动升力系数如图1所示.这个数据库中图的突出特点为必须保持考虑以下的仿真结果，升力系数在失速状态的分布呈现出非常陡峭下降的趋势，攻角增加1˚或2˚，升力系数由最大值达到最小值.这是由于风机机翼边缘剖面很薄的缘故，从而导致了风机的突然失速，而且这种极端的情况，也与为了获得这些系数的数值算法的特性有关.此外，在雷诺数低于1.6×105时，在某些特定攻角下升力系数呈现负的值，这似乎与平板的相似性相违背，这主要是因为，在此数据库建立在雷诺数高于1.6×105基础之上.此外，还可以得到所有雷诺数情况下攻角大于30˚时所研究风机类型的升力系数，但NACA 0012除外，有很小的差异，NACA 0012型号风机在不同雷诺数下的升力系数如图2所示.图1 NACA 0012低雷诺数时攻角对升力系数的影响图2 NACA 0012型号风机在不同雷诺数下的升力系数翼面较厚时，失速升力系数的降低分布趋势不太陡，整体情况是光滑的，另一方面，在30˚时几乎所有的升力系数都有一个跳跃，这是因为，在所有情况下数值算法中所提供的30˚这一点的数值都是一样的，数据库之间的关联不顺畅. Paraschivoiu等人建立了关于垂直轴风力机的另外一种模拟数据库[11]，涵盖三种类型的机组：NACA 0012、NACA 0015和NACA 0018，雷诺数范围在104∼107.此数据库和上一个非常相似，但有不同迎角下大量的气动力系数，可能通过插值得到更多的不同的数据.NACA 0018在雷诺数1.6×105时的升力系数随攻角变化，Paraschivoiu和Sheldahl的插值数据库是不同的，如图3所示.图3 NACA 0018在雷诺数1.6×105的升力系数图4 NACA 0012在雷诺数1.6×105的升力系数这些数值上的差异可以认为是有限的，但垂直轴风力机在此攻角范围内的运行情况有轻微的差异也是不能被忽略的.为了显示数据库的差异，将所有雷诺数的情况，甚至在某些攻角下出现负升力系数的情况，在下面研究中进行了比对.Lazauskas等人改进了Sheldahl数据库[12,13]，对明显的异常情况进行了纠正.在Sheldahl创建的数据库中，可明显的观察到在实验数据和数值模拟预测的升力系数有一个“跳跃”.Lazauskas等人对这个值进行了修正，得到了一个光滑的曲线图，NACA 0012在雷诺数1.6×105时的升力系数如图4所示.这些文献中提到的数据库应用于攻角在±180˚之间的垂直轴风力机.另一些研究人员对同一剖面的翼型在低雷诺数下进行了实验，得到测试结果，但是攻角范围有限.攻角低于30˚时，并逐渐变小，垂直轴风力机可以运行在大多数的方位和垂直的位置，所以可以合理的假设，将攻角增大一些，数据库的有限数值扩展不会对预测结果有很大的错误影响.Jacobs等人实验研究了NACA 009、NACA 0012、NACA 0015、NACA 0018和NACA 0021型号的风机，雷诺数范围在1.6×105∼3×107，提供了攻角28˚时的空气动力系数数据库[14].为了克服这一局限性，Sheldahl认为要创建一个完整数据库应该将更高迎角的空气动力系数包括在内.不过，为了尽量减少数据库之间的不连续性提供一个平滑的变化趋势，在数据库中包含在联接区域做小的修正.雷诺数范围在3.6×105∼107，NACA 0012、NACA 0018型风机的空气动力系数如图5-6所示，很明显Jacobs与Sheldahl在初始时都是线性变化的，但升力系数变化趋势之间有相当大的差异.另一方面，Sheldahl升力系数的特点有一个陡峭的和早期的失速状态，从最大升力以后有明显的下降.此外，Jacobs的最大升力值高于Sheldahl的，这是因为雷诺数高，和机翼厚度有关.图5 NACA 0012型风机的空气动力系数图6 NACA 0018型风机的空气动力系数Bullivant研究了NACA 0025，雷诺数为3.2×106，攻角小于25˚，并和Shedahl的做了比较，如图7所示，Bullivant的升力和阻力系数曲线要光滑些，在研究方法（实验/数值模拟）上，提出了一个相当大的跳转链接变化，Bullivan的最大升力系数也较低，因此，具有较高的阻力系数[14].对称剖面的SNLA0018-50是由桑迪亚国家实验室对传统的NACA 0018的改进，专门应用于垂直轴风力发电机组的研究，采用不同的转子配置.Gregorek等人实验研究了高雷诺数（＞106），攻角小于30˚的情况，并得到数据，平均雷诺数1.41×106时的空气动力系数如图8所示.图7 NACA 0025型风机的空气动力系数图8 SNLA0018-50型风机的空气动力系数以上介绍的风力机型是应用最为广泛的垂直轴风力发电机组，具有很高的应用价值，能够对垂直轴风力机的叶素-动量算法（BE-M算法）进行验证.3 结论(1)本文结合叶素动量算法，研究了Jacobs等人建立的关于达里厄型垂直轴风力机的几种数据库，对这几种不同的垂直轴风力机模拟气动数据库进行了研究比对，为垂直轴风力机的实际应用，所建立的数据库应该是可靠的，符合实际情况，一般数据库应该包括在低雷诺数和攻角±180˚的翼型空气动力系数，有些数据库做了一些合理假设之后，可以将数值拓展到此范围，从而使数据库得到完善，能够应用于工程实际.(2)通过建立在几种数据库上的模拟仿真和实验数据比对研究表明，叶素动量算法模拟结果可以和大多数的数据库很好的吻合，但是动态失速条件下例外，尤其是在低雷诺数时，Sheldahl数据库以及Paraschivoiu和Lazauskas源数据库影响计算结果导致误差很大，就是由于在失速条件下对升力系数过低的估算.参考文献：【相关文献】[1]Kjellin J,Bülow F,Eriksson S,et al.Power coefficient measurement on a 12 kW straight bladed vertical axis wind turbine[J].Renewable energy,2011,36(11):3050-3053.[2]Rabbani T,Khalid M,Siddiqui S,et al.Reduced order modeling of loads on a vertical-axis wind turbine[C].Applied Sciences and Technology(IBCAST),2014 11th International Bhurban Conference on.IEEE,2014:298-303.[3]Paraschivoiu I.Double-multiple streamtube model for Darrieus in turbines[C].Wind Turbine Dynamics.1981,1:19-25.[4]Strickland J H,Webster B T,Nguyen T.A vortex model of the Darrieus turbine:an analytical and experimental study[J].Journal of Fluids Engineering,1979,101(4):500-505. 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【完整版】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*名：**指导教师：***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*名：**指导教师：***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 main structural parameters used to further validate the performance of the wind turbine blade structure.（3) The use of Gambit software modeling, FLUENT software flow fieldanalysis, 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。
H型垂直轴风力发电机气动性能研究
H型垂直轴风力发电机气动性能研究发布时间：2021-06-24T10:04:30.063Z 来源：《建筑实践》2021年6期作者：李柏森[导读] 在风力发电行业快速发展的背景下，H型垂直轴风力发电机气动性能成为了研究热点。
李柏森中石化新星河南公司，河南郑州，450000摘要：在风力发电行业快速发展的背景下，H型垂直轴风力发电机气动性能成为了研究热点。
本文通过计算流体力学中移动网络技术的运用，计算风轮二维和三维流域模型的非定常分离流动数值，并在此基础上分析不同环境对风力发电机启动性能的影响，希望为相关行业提供借鉴。
关键词：H型垂直轴；风力发电机；气动性能引言：在风力发电领域，大型水平轴风力发电机依然占据主要位置，但随着科学技术的不断发展，垂直轴风力发电机大有取代水平轴风力发电机之势，究其原因，主要是这种发电机的结构较为简单、维护和启动风速要求低。
目前，研究此类发电机气动性能的方法被分为三种，其中数值计算法的应用最为普遍。
一、数值计算模型（一）研究对象本文以某电厂应用的H型垂直轴风力发电机为研究对象，该装置的风轮直径为，叶片高度为，叶片弦长为，叶片翼形为，其中，弦长处是叶片连接点的所在位置。
出于简化模型，控制计算成本和提高计算效率的考虑，在计算和模拟发电机气动性能时，需要去除支撑件、转动轴和连接法兰等部件，究其原因，主要是这些部件对风力发电机启动转矩的获取影响微乎其微[1]。
（二）建立计算区域的模型首先以H型垂直风力发电机为基础建立数值计算模型，其中，风力机叶片流动主要为外流，在模拟风轮机气动性能的过程中，静止区域主要被用于外部流场模拟，使静止状态得到保持。
为充分发展风轮产生的尾迹，需要在风轮上下风向倍和倍风轮直径处，分别设置入口和出口边界。
旋转区域模拟风轮所在区域，由1个圆形区域组成，该区域内部包含个叶片。
叶片对于风力发电机而言至关重要，属于发电机获取风能的重要部件，因此，需要通过网络加密的方式生成叶片处的计算网络，为风力发电机气动性能的准确计算，创造有利的条件。
基于流固耦合法的垂直轴风力机叶片翼型气动性能分析
第４ ４卷 第 ３期 ２ ０ １ ５年 ３月
热
力
发
电
Ｖｏ ｌ ＿ ４ ４ Ｎｏ ． ３
Ｍａ ｒ ． ２ ０１ ５
Ｔ ＨＥ ＲＭＡＬ Ｐ Ｏ Ｗ ＥＲ ＧＥ ＮＥ ＲＡＴ Ｉ Ｏ Ｎ
基 于 流 固 耦 合 法 的垂 直 轴 风 力 机 叶 片 翼 型 气 动 性 能 分 析
ＬＩ ＡＮＧ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ｌ ｏ ｎ ｇ ， ＣＵＩ Ｐ ｅ ｎ ｇ ｙ ｕ
（ １ ． Ｓ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｉ ｒ ａ ｌ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｓ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ ２ １ ５ １ ０ ４， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｌ ｉ ａ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｖ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｄ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ １ １ ８ ０ ０ ８ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
下， 位 于叶 片后 缘 处 变形 最 大为 ３ ． ９ ６ １×１ ０ 一 ｍｍ， 不 同位 置 变形量 与厚 度呈 线 性 关 系 ， 适当
增 大 叶片翼 型后 缘厚 度 的方 法 ， 能够增 强叶 片翼 型 的强 度 ， 使 其具 有 很 好 的抗 变形 能 力。 因 此， 增加 叶 片翼 型厚度 可减 小叶 片翼 型 变形 量 ， 提 高叶 片翼型 的使 用寿 命 。 ［ 关 键 词 ］风 力机 ； 垂 直轴 ； 叶 片翼 型 ； 气动性 能 ； 流 固耦 合 法 ； 边 界条 件 ； Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ — Ｃ Ｆ Ｘ软件 ［ 中 图分 类 号 ］Ｔ Ｍ６ １ ４； Ｔ Ｋ ８ ３ ［ 文献标 识 码 ］Ａ ［ 文 章 编 号 ］１ ０ ０ ２ — ３ ３ ６ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ３ － ０ ０ ８ ７ ０３ －
低尖速比下双转子垂直轴风力机气动性能试验研究
低尖速比下双转子垂直轴风力机气动性能试验研究姜宜辰;陈慧;卢政也;宗智;王昆;邹丽【摘要】虽然水平轴风力发电机的技术已经发展的非常成熟,是世界上的主流风机,但在适应风机大型化、深海化的趋势方面,垂直轴风力发电机因其结构特点表现出一定优势.近年来,对于垂直轴风力机的研究日益增多,将两台相同的垂直轴风力机间隔一定距离置于一起即得到双转子垂直轴风力机.文章利用风机模拟与实际风场较接近的非定常风,通过物理模型试验对比了单转子垂直轴风力机和具有不同双转子间距的双转子垂直轴风力机在不同风速下同一转子的扭矩、转速与轴功率,证实了双转子垂直轴风力机的增益效果,并探讨了风速及两转子间距对风机性能及增益效果的影响.试验结果表明,风速越大、两转子间距越小,双转子垂直轴风力机的增益效果越显著.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2019(037)004【总页数】5页(P594-598)【关键词】双转子垂直轴风力机;物理模型试验;增益效果;轴功率;两转子间距离;风速【作者】姜宜辰;陈慧;卢政也;宗智;王昆;邹丽【作者单位】大连理工大学船舶工程学院,辽宁大连 116024;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,辽宁大连116024;大连理工大学船舶工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学船舶工程学院,辽宁大连 116024;大连理工大学船舶工程学院,辽宁大连 116024;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,辽宁大连116024;大连理工大学船舶工程学院,辽宁大连 116024;大连理工大学船舶工程学院,辽宁大连 116024;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言国内外已经开展了很多关于垂直轴风力机的空气动力性能研究。
目前，应用于垂直轴风力发电机空气动力学性能分析的研究方法主要有3类：实验法、气动模型法和数值计算法[1]。
随着计算机的发展，后两种方法在近年来愈加成熟并得到广泛应用，但其计算结果的准确性最终仍需要与物理模型试验结果进行对比加以验证。
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.。
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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：
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[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.。