具有大实度直线翼垂直轴风力机气动特性数值模拟

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.     

具有导流板直线翼垂直轴风力机气动特性分析

为了改善直线翼垂直轴风力机的气动特性,通过在风力机外部安装平板型导流板,用以改变来流方向,改善叶片周围流动情况,从而提升风力机的气动特性.以采用NACA0018翼型的4叶片小型直线翼垂直轴风力机为对象,在风力机外部均匀安装了6枚平板型导流板,采用二次正交旋转设计方法,对导流板的宽度、角度和与风力机距离进行研究.以平均静态力矩为指标,通过数值模拟研究得到一组最优的导流板结构参数,并对静态流场进行了分析.根据数值模拟得到的最优导流板结构参数,制作了导流板及风力机模型,进行了风洞试验.结果表明:导流板的安装有效提升了直线翼垂直轴风力机的启动性能和气动性能.在10 m/s风速下,与无导流板的风力机相比,有导流板的风力机最大静力矩系数提升了35.6%,功率系数提升了39.5%.结论可为采用导流板来提升风力机性能的研究提供有益的参考.     

风力机侧偏限速机构的机理分析及倾角优化

针对具有限速机构的小型风力机侧偏过程中理论力矩公式推导,分析风轮叶片及尾翼的气动性能,揭示了限速机构的风轮侧偏、尾翼偏转及重力回位力矩的产生机理并推导出其各力矩的精确表达公式,指出侧偏限速机构的研究重点在于侧偏时力矩之间动态平衡的过程;在此基础上,对侧偏限速机构重要参数的选取原则提出了具体说明,并在8种不同尾翼斜铰轴后倾角β'及侧倾角β″组合下,采用Matlab仿真软件对其编程绘制出尾翼回位力矩Mb及电动机输出功率P的变化曲线图.结果表明:具有β'β″结构的侧偏限速型风力机在调速过程中能较好满足力矩之间动态平衡要求;采用Matlab软件在β'β″倾角组合中找到了1组后倾角β'=8°、侧倾角β″=3°的最佳倾角组合,可以保证大风时电动机输出功率较为恒定及整机侧偏性能稳定,这将为小型风力机侧偏机构的进一步优化分析提供一定的技术基础.     

不同桨距角某小型水平轴风机的气动性能分析

为了研究风力机叶片对风力机运行性能的影响.以家用小型风力发电机风轮为对象,利用UG软件得到叶片的三维模型.通过有限体积数值方法求解流动域不可压缩的Navier-Stokes控制方程和k-ω SST湍流模型方程,其中扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,得到流场变量的数值解.通过分析数值结果,研究了风轮的气动性能,即功率系数、力矩系数和轴向力系数在不同桨距角下随叶尖速比的变化情况:即随着尖速比的增大,功率系数、力矩系数均先增大后减小;随着桨距角的增大,最大功率系数和力矩系数先增大后减小,而最大轴向力系数逐渐减小.同时,展示了不同桨距角下叶片尾部的流线图.通过对风力机叶片气动性能的研究,可为小型水平轴风力机叶片的优化设计提供参考.     

风力机柔性制动系统设计与仿真

在分析风力机制动数学模型的基础上,设计了柔性制动系统,搭建了半物理混合仿真实验台,并在实验台上进行了风力机柔性制动模拟仿真实验.实验结果表明,风力机正常停机时,柔性制动系统通过改变PLC的PWM输出控制高速开关阀通断时间,从而调节制动力,完成柔性制动过程,可以使叶轮转速下降平缓,风力机齿轮箱扭矩波动减小.     

垂直轴风力机动态特性及气动性能

垂直轴风力机流场属典型的非定常大分离流动,因其气动性能复杂,采用工程气动模型会有较大误差.为了研究垂直轴风力机动态失速与翼型附着涡的形成与发展,针对4种不同厚度的NACA对称翼型系列,基于Fluent软件的滑移网格技术,并选用S-A湍流模型和基于压力的Simple算法对H型垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算,得到了风轮旋转中动态失速相位角范围,较好地解释了小叶尖速比下翼型多处于动态失速区的流动机理.同时,提出了升阻系数计算方法,计算得到了该4种翼型系列的叶片扭转力矩、风力机功率和风能利用系数随叶尖速比变化规律.研究结果表明,风力机运行中翼型的动态与静态特性存在较大差别,翼型厚度对风力机扭转力矩、功率和风能利用率具有较大影响.故在进行垂直轴风力机设计时应综合考虑垂直轴风力机的翼型厚度等几何参数与旋转等动态参数对其气动特性的影响.     

伞形风力机功率输出特性的试验研究

介绍了伞形调节机构的组成和工作原理,对下风向风力机受到的塔影效应进行理论分析,并利用风洞对伞形调节机构进行稳态风试验.试验验证了5 k W伞形风力机和伞形调节机构设计的合理性与实用性;得到了受塔影效应较为严重的60.0°收缩角时的功率特性曲线,并分析了不同功率特性曲线现象发生的原因;发现了风轮收缩角为50.0°~62.0°,风速为13.5~17.0 m/s伞形风力机功率输出特性曲线出现衰减现象;提出了在伞形风力机叶片中心附近增加不同数量和不同形状导流板的假设,从而减小功率衰减现象对伞形风力机在应对复杂气候条件下功率输出的影响.试验可以为风力机设计人员提供很好的参考价值,并且对复杂气候条件下风力发电技术的应用研究具有理论和工程应用价值.     

偏心风轮结构对垂直轴风力机气动特性影响数值模拟

为了改善垂直轴风力机气动特性,提出了一种具有偏心结构的直线翼垂直轴风力机风轮形式,通过增大叶片气动力对转轴的作用半径来改善风力机的起动性能和提高输出功率特性.以采用NACA0018翼型的3叶片风力机为对象,利用数值模拟方法计算了具有6种不同偏心量风轮结构的风力机静态起动力矩系数和输出功率系数,分析了不同偏心量对风力机气动特性的影响规律.计算结果表明:适当的偏心量可消除在某些方位角处的反向力矩,使静态力矩系数波动变得平滑,从而有效改善直线翼垂直轴风力机整体起动性能.同时,适当的偏心量还可有效提高风力机的输出功率特性,最大功率系数可提高12%.     

直线翼垂直轴风力机静态流场数值模拟与可视化试验

为研究翼型对直线翼垂直轴风力机启动特性的影响,选取了厚度相似的正装非对称翼型S809与通用对称翼型NACA0018进行两叶片垂直轴风力机的对比研究.首先,运用数值模拟的手段得到采用2种翼型风力机的周期静态力矩曲线,取得二者力矩差异较大的特定方位角,并且进一步获得特定方位角下的涡量图和矢量图.然后通过可视化试验得到叶片周...     

B-Spline曲线聚风装置直线翼垂直轴风力机启动性能数值模拟

为了提升直线翼垂直轴风力机的启动性能,基于B-Spline曲线生成方法,提出一种具有流线型轮廓的聚风装置,将其分别安装在风轮顶端和底端,用以提升风轮附近的来流风速,使风轮汲取更多风能,达到更易启动的特点.选取聚风装置的5个结构参数进行设计：聚风装置与风轮间隙距离ΔL、底圆半径R₁、顶圆半径R₂、入口角度α₁和出口角度α₂.设计方法采用二次旋转正交组合筛选最优模型,通过三维数值模拟研究聚风装置参数对直线翼垂直轴风力机启动性能的影响,获得了最佳外形参数组合.此外,对有无加装聚风装置的直线翼垂直轴风力机进行了静态三维数值模拟.结果表明,通过添加具有外凸流线型轮廓的聚风装置,直线翼垂直轴风力机的启动性能有显著提升.在风速较低的情况下,性能改善更加明显.聚风装置可使直线翼垂直轴风力机的平均启动力矩系数最大增加38.8%,峰值平均启动力矩系数最大可增加31.2%.     

升阻混合风轮的性能规律

为了研究由升力型与阻力型风轮构成升阻混合立轴风轮的部分性能规律,建立了旋转直径900 mm、高度900 mm的混合风轮数理模型,应用SST k-ω湍流模型模拟分析两种风轮的半径比、高度比对混合风轮性能的影响规律,并比较了混合风轮和纯升力风轮的性能．结果证明:阻力型风轮增大了混合风轮的力矩,对下游0°转角附近的升力叶片产生了负面影响,且当阻力风轮与升力型风轮半径比为0.3、高度比为0.5时,混合风轮的性能达最佳为0.32;在低转速范围内,组合风轮具有更高的风能利用系数;在高转速范围内,阻力风轮产生的阻尼作用效果逐渐增强,混合风轮与纯升力风轮的性能相近甚至不及．建立相同尺寸的塑料物模进行了风洞试验,采用力矩仪对模型力矩和转速进行了测试,试验结果与模拟结果的对比显示,试验测量最高效率低于模拟值0.02,误差属于允许范围之内,证明SST k-ω湍流模型对混合风轮流场计算值具有适用性．     

升阻混合风轮的性能规律

为了研究由升力型与阻力型风轮构成升阻混合立轴风轮的部分性能规律,建立了旋转直径900 mm、高度900 mm的混合风轮数理模型,应用SST k-ω湍流模型模拟分析两种风轮的半径比、高度比对混合风轮性能的影响规律,并比较了混合风轮和纯升力风轮的性能.结果证明：阻力型风轮增大了混合风轮的力矩,对下游0°转角附近的升力叶片产生了负面影响,且当阻力风轮与升力型风轮半径比为0.3、高度比为0.5时,混合风轮的性能达最佳为0.32;在低转速范围内,组合风轮具有更高的风能利用系数;在高转速范围内,阻力风轮产生的阻尼作用效果逐渐增强,混合风轮与纯升力风轮的性能相近甚至不及.建立相同尺寸的塑料物模进行了风洞试验,采用力矩仪对模型力矩和转速进行了测试,试验结果与模拟结果的对比显示,试验测量最高效率低于模拟值0.02,误差属于允许范围之内,证明SST k-ω湍流模型对混合风轮流场计算值具有适用性.     

小型风力机系统气动及发电性能试验研究

为了揭示小型风力机系统气动及发电性能的差异,分别对某新型的风力机风轮及连接发电机的同一风轮的气动性能和发电性能开展风洞试验,详细分析了风轮的气动特性及发电机的电磁特性.基于风轮气动功率和发电机的发电功率试验数据,给出了风力机不同风速下的最优工作曲线和实际工作曲线,在不同风速下实际工作曲线中的发电功率峰值及其对应转速均小于最优工作曲线中的气动功率峰值及其对应转速.风轮的气动扭矩随转速先增大后减小,然而发电机的电磁扭矩随转速增大而增大,当发电机逐渐增大的电磁扭矩等于开始减小的气动扭矩,发电机的转速无法进一步加速到气动功率最大值对应的转速,这种不匹配是导致风力机系统气动和发电性能差异的主要原因.试验数据可为研究风力机最大功率控制策略提供支持.     

叶片数对VAWT-SWS低风速自起动性能的影响

为探明叶片数对自适应风速垂直轴风力机(VAWT-SWS)自起动性能的影响,设计了可更换叶片个数(2,3,4)的风力机模型,通过风洞实验获得了3 m/s风速下风力机的静态转矩系数随方位角变化曲线,并与相同参数的Darrieus直叶片风力机(D-风力机)进行了对比。之后使自适应风速垂直轴风力机空载,得到了3 m/s风速下其转速随时间变化曲线。实验结果表明:自适应风速垂直轴风力机的自起动性能优于Darrieus直叶片风力机,增加叶片数可使自适应风速垂直轴风力机的静态自起动性能提高,但使动态自起动性能降低。     

H型风力机新型变桨方案数值模拟

针对H型风力机叶片旋转至0°和180°方位角时攻角为0,力矩系数为负值且其附近较大区域也为负值或较小,由此对风力机整体气动性能产生较大负面影响这一问题,提出以改善小攻角区域性能为目标的新型变桨方案,在叶尖速比为4.5时设计桨距角变化曲线改变整机气动性能.采用动网格技术模拟叶片旋转,RNG k-ε模型模拟湍流影响,应用Fluent软件对变桨和定桨风力机进行数值模拟和分析比较.计算结果得出,变桨之后H型风力机叶片扭矩明显增大,最高提升幅度达14%;上盘面,30°~80°方位角叶片扭矩提升幅度较大;下盘面,除270°附近方位角处扭矩无明显变化外,其他方位角叶片扭矩均有较为明显的提升.变桨后风力机内流场变化也较为明显,流场内速度差异较大,内流场的低速区面积变大.从涡量云图也可得到变桨能有效地减小了叶片进入尾流区的概率,降低了尾流对整体风力机性能的影响.     

叶片数对尾缘加弯板垂直轴风力机功率影响数值模拟

为了探究叶片数量对叶片尾缘加装弯板直线翼垂直轴风力机气动特性的影响,通过不同叶片数量下直线翼叶片尾缘加弯板对垂直轴风力机叶片周围流场改善情况的对比,分析其气动特性变化.选取NACA0018直线翼型作为研究对象,利用数值模拟计算7种弯板长度下,2,3,4这3种叶片数量下的直线翼垂直轴风力机动态输出特性和静态起动特性.研究结果显示:该类升力型垂直轴风力机的气动特性受到叶片数量和弯板长度的综合影响,弯弦比的增加能够提升风力机的阻力性能,但会弱化因叶片数量增加导致风力机产生的功率系数的差别;在不同叶片数量下,适当弯板长度对风力机静态起动性能具有优化作用,但其起到优化作用的方位角不同,且2叶片时优化效果最佳,平均转矩系数提升40%.该研究为垂直轴风力机叶片尾缘的设计与优化提供依据.     

直叶片达里厄风轮流场非定常数值计算

为了提高达里厄风轮复杂内部湍流流场的认知程度,采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对采用NACA0012翼型的直叶片达里厄风轮的空气动力流场进行二维数值研究,分析叶片流场、叶片动力矩特性、转速对风轮流场的影响规律.叶片流场研究结果给出了叶轮不同时刻、不同位置的流场,揭示叶片攻角随方位角的变化规律为非简单地遵循正弦曲线.动力矩特性曲线揭示叶片在90°方位角时产生最大力矩值,在下盘面动力矩极小并接近于0甚至为负值,证明攻角均极小.比较同一风速、不同转速下的流场发现,随着转速增大,内流场风速逐渐减小;比较动力矩曲线发现,随着转速增大,上盘面动力矩最高值先增大后减小,存在最大值;下盘面动力矩极低值逐渐减小且范围变广.计算结果与试验结果的对比证明,滑移网格技术和湍流模型的模拟计算能够较好地反映直叶片立轴风轮流场特性.     

Savonius风力机静态流场PIV可视化试验研究

为了探明Savonius风力机参数对其静态起动性能的影响,以重叠比为研究对象,选取重叠比分别为0,02,05这3种Savonius风力机模型,利用PIV测试系统对一定雷诺数、不同方位角下模型叶片周围流场进行试验,同时利用CFD计算软件对相应模型叶片进行数值模拟计算,分析模型叶片的力矩特性和周围流场．通过对比试验结果和计算结果来揭示具有不同重叠比的Savonius风力机在不同方位角条件下涡的分布情况以及能量利用规律．结果表明,当Savonius风力机叶片之间存在重叠比时可以消除叶片附着面附近的涡,使流动更加稳定,提升转矩系数,从而提高Savonius风力机的静态起动性能;然而当重叠比过大时会导致气流在间隙处的流向不明显,易产生新的涡使其静态起动力矩减弱,因此只有适当的重叠比才对改善Savonius风力机静态起动性能有帮助．     

考虑小攻角影响立轴风轮气动性能改善方法

立轴风力机叶片在旋转1周中其攻角正负转化,在0°和180°方位角攻角为零,表现为负力矩,这降低了叶片的平均力矩,也降低了升力型立轴叶轮整体性能.首先概述了升力型立轴叶轮的研究现状,分析指出目前的研究均主要针对叶轮整体机构、叶片结构及流场情况进行大攻角高性能区域的改善,未减轻小攻角区域的影响.针对此问题,提出了2种考虑小攻角影响的立轴风轮气动性能改善方法,干扰气流方法和新变桨方案.前者主要消除0°和180°位置角零攻角和负力矩,后者通过改变高性能区的范围来减小特殊位置角的影响并产生新的性能极大值点.基于叶素动量理论,建立双盘面多流管模型,分别运用于NACA0012翼型、旋转半径为2 m的2叶片Φ型、H型立轴风力机,并且采用Matlab程序设计语言进行相应计算研究.研究结果显示这2种方法大幅度地降低了负力矩影响范围,整体效果改善显著,上盘面都优于下盘面.