直叶片垂直轴风力机风轮气动性能预估

直叶片垂直轴风力机风轮气动性能预估

论文摘要

风力发电是通过风力机装置将风能转化为电能,因此如何设计一种高效、可靠的风力机是风力发电技术的关键。垂直轴风力机与水平轴风力机相比有其优势所在。本文以600W直叶片垂直轴风力机为研究对象,对NACA系列对称翼型及风轮简化二维模型和全三维模型进行了数值模拟。主要研究内容如下:首先,选用了k-ωSST和RNGk-ε两种湍流模型对NACA0012翼型进行了数值模拟,对比了不同湍流模型对气动模拟精度的影响,计算结果表明:k-wSST湍流模型模拟的升阻力系数比较准确。定常和非定常计算值相比较,非定常模拟的升阻力系数比较准确。其次,不考虑连杆、转轴以及叶尖损失的影响,把三维H型直叶片垂直轴风轮简化为二维风轮,采用滑移网格技术对该简化模型进行数值模拟。计算分析得出,对于同一风速,随着尾流远离风轮,尾流速度逐渐接近来流风速;对于不同风速,随着风速的增加,尾流扩散区的长度逐渐增加,尾流扩散中心的最小尾流值也在增加;功率随着风速的增加而增加,当达到额定风速时,功率值也趋近于额定功率,随着风速的继续增加,功率也有所增加。对于同一转速,随着尾流远离风轮,尾流速度逐渐接近来流风速;对比不同转速,随着转速的增加,尾流扩散区Y方向的长度逐渐增加;功率随着转速的增加而增加,当达到某一转速时,功率达到最大,随着转速的继续增加,功率则逐渐减小。风力机输出功率随转速先增加后减小,最大功率的位置五叶片较三叶片所对应的转速低。最后,基于N-S方程和k-ωSST湍流模型,采用非结构化网格,分别分析了三叶片和五叶片风轮在不同工况下的全三维非定常流动。数值模拟结果表明,采用滑移网格技术模拟非定常的全三维数值计算能较好的反映风轮旋转过程的流场,功率曲线及功率系数曲线的变化;无论是三叶片风轮还是五叶片风轮,全三维风轮数值模拟的功率、功率系数都要小于二维风轮数值模拟功率、功率系数值,主要是因为全三维模拟考虑了叶尖损失的影响;在风轮旋转的一周内,所处位置不同,尾流流场的分布稍有不同,但总体变化不明显;对本文模型而言,与实度相比较,叶尖损失对五叶片风轮的影响要大于三叶片风轮。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 课题的研究背景和计算流体力学的发展
  • 1.1.1 课题的研究背景
  • 1.1.2 计算流体力学的发展
  • 1.2 垂直轴风力机在国内外的研究现状
  • 1.2.1 垂直轴风力机在国外的研究现状
  • 1.2.2 垂直轴风力机在国内的研究现状
  • 1.3 风轮数值模拟有待解决的问题
  • 1.4 本课题的主要工作
  • 2 垂直轴风力发电机的相关理论
  • 2.1 基本概念
  • 2.1.1 翼型的空气动力特性
  • 2.1.2 风轮的基本参数
  • 2.2 垂直轴风力机的工作原理
  • 2.2.1 阻力型风力机的工作原理
  • 2.2.2 升力型风力机的工作原理
  • 2.3 垂直轴风力机空气动力学设计理论
  • 2.3.1 单流管模型
  • 2.3.2 多流管模型
  • 2.3.3 动量-叶素理论模型
  • 2.4 本章小结
  • 3 风力机二维翼型数值模拟
  • 3.1 控制方程和湍流模型
  • 3.1.1 控制方程
  • 3.1.2 湍流模型
  • 3.2 数值计算求解过程
  • 3.2.1 几何建模及计算域的构造
  • 3.2.2 网格划分
  • 3.2.3 边界条件
  • 3.3 计算结果分析
  • 3.3.1 不同湍流模型计算结果分析
  • 3.3.2 定常与非定常计算结果分析
  • 3.3.3 翼型表面压力系数分布图
  • 3.3.4 分离流动特性
  • 3.4 本章小结
  • 4 风力机二维风轮数值模拟
  • 4.1 控制方程和滑移网格模型
  • 4.1.1 控制方程
  • 4.1.2 滑移网格模型
  • 4.2 数值计算求解过程
  • 4.2.1 几何建模及计算域的构造
  • 4.2.2 网格划分
  • 4.2.3 边界条件及求解设定
  • 4.3 计算结果分析
  • 4.3.1 风速对风轮流场的影响
  • 4.3.2 转速对风轮流场的影响
  • 4.3.3 流场压力等值线图
  • 4.3.4 翼型表面压力系数分布
  • 4.3.5 性能曲线
  • 4.4 本章小结
  • 5 风力机全三维风轮数值模拟
  • 5.1 控制方程
  • 5.2 数值计算求解过程
  • 5.2.1 Gambit软件进行三维建模
  • 5.2.2 计算域的构造及网格的划分
  • 5.2.3 边界条件设置
  • 5.3 计算结果分析
  • 5.3.1 计算结果分析
  • 5.3.2 叶片压力面和吸力面压力分布图
  • 5.3.3 速度等值线分布图
  • 5.4 本章小结
  • 6 结论与展望
  • 6.1 主要内容和结论
  • 6.2 建议
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • 相关论文文献

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