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%.     

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.     

组合型垂直轴风力机结合角度对起动性的影响

与Savonius风轮组合使用是改善直线翼垂直轴风力机起动性的重要方法,而二者的结合角度对组合型垂直轴风力机的起动性有很大影响.首先,设计了采用FX63-145和NACA0018翼型的直线翼垂直轴风力机和Savonius风轮,利用风洞试验测试并分析了各自的起动性.然后,分别将Savonius风轮的最佳起动区域与两种直线翼垂直风力机的最差起动区域和最佳起动区域进行组合,测试了在这4种不同组合方式下的组合型垂直轴风力机的起动性.结果表明:对于采用对称翼型的直线翼垂直轴风力机,将直线翼垂直轴风力机的最佳起动区域与Savonius风轮的最佳起动区域结合的方法可以更好地提高组合型垂直轴风力机的起动性.而对于采用非对称翼型的直线翼垂直轴风力机,两种组合方式各有优缺点.     

适用于西藏地区的聚风型垂直轴风力机结构特性分析

为满足西藏高寒高海拔地区对风力机安全可靠性的需求,以部件强度和气象参数为约束条件,针对一台面向西藏地区的额定功率为500 W的聚风型直线翼垂直轴风力机进行结构分析,并采用有限元分析方法,对风力机主要部件进行了静力学分析和模态分析.静力学分析表明:在额定转速下风力机叶片、主轴、支撑臂、法兰盘、上下聚风罩和塔筒等主要结构部件的最大位移形变分别为0.19, 0.25, 0.013, 0.005 6, 0.63, 1.20, 0.05 mm;最大承受应力分别为11.96, 25.63, 11.70, 6.10, 4.68, 2.11, 2.28 MPa,均在材料所能承受的范围之内,风力机主要结构部件设计合理,满足设计要求.模态分析表明:风轮的工作频率2.50 Hz远小于其一阶固有频率9.22 Hz,不会发生共振,安全可靠.研究结果可为垂直轴风力机的结构设计与分析提供参考,为聚风型直线翼垂直轴风力机在高寒高海拔地区应用提供基础.     

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.     

基于烟线法的直线翼垂直轴风力机静态流场可视化试验

为探明直线翼垂直轴风力机自起动性能与风力机叶片迎风角度的关系,设计制作了一台具有3枚NACA0018翼型叶片的直线翼垂直轴风力机模型。通过风洞试验测试了直线翼垂直轴风力机在不同风速下自起动性与叶片迎风角度的关系;利用烟线法对风力机的静态流场进行了可视化试验,获得了不同叶片迎风角度下风力机周围流场的流迹线图像;分析了风力机自起动性与叶片翼型、叶片个数、叶片受力情况和周围流场的关系。     

高原地区垂直轴风力机应用分析

青藏高原大部分地区属风能资源可利用区,但风向的多变特性限制了水平轴风力机的应用.从分析青藏高原地区风能资源分布情况及特征入手,依据高原独特的气象条件,采用理论分析方法探讨了空气密度对垂直轴风力机出力特性的影响规律,采用数值模拟方法对比海拔4 000 m处以及标准状态2种空气密度下垂直轴风力机的出力特性,归纳了光照辐射、覆冰、雷击等特殊因素对垂直轴风力机的影响.结果表明:空气密度对风能利用系数影响较小,但对输出功率影响较大.在相同风速条件下,同一垂直轴风力机在海拔4 000 m处(即ρ₁=0.843 7 kg/m³)输出功率约为在ρ₀=1.225 0 kg/m³地区的0.60~0.67倍.最后针对分析结果,提出了风轮改进设计方法及应对环境因素的改善措施.研究结果可对高原环境下垂直轴风力机的推广应用提供参考.     

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...     

实度对直叶片垂直轴风力机风轮气动性能的影响分析

实度是直叶片垂直轴风力机设计的关键参数,对风力机气动性能起主导作用.分析并建立了垂直轴风力机局部流场下的力学模型,研究实度与气动性能的关系;对风力机进行了数值模拟,分析了叶片的动态力学特性,并重点研究风轮半径、弦长及叶片数量对风能利用率的影响;进行了样机实验验证了数值模拟的精度与可靠性.研究发现:实度增加,风力机在低尖速比下的启动特性得到改善,但产生高风能利用率的有效尖速比范围变小;样机实度为0.628时,2叶片和4叶片风轮的输出功率相当,但4叶片风轮的输出功率比2叶片风轮更稳定;实度参数对风能利用率贡献不同,弦长变化可提高风能利用率的峰值,而叶片数量的增加会降低风能利用率的峰值.     

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.     

低风速下H型垂直轴风力机气动性能

为了准确地研究低风速下H型垂直轴风力机的特性,以自主研发的H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟方法,分析了低风速下H型垂直轴风力机的气动性能和三维效应特征.分析结果表明:低风速区域,保持叶尖速比不变,改变风轮转速或来流风速,对H型垂直轴风力机的功率系数影响较大,且风速对叶尖速比的影响比转速的影响更敏感;在低风速区域,即使转速较大,风力机实际仍工作在低叶尖速比区域;在数值模拟中,设定合理的风速和转速的匹配有利于提高模拟结果的可靠性;在不考虑风剪切的情况下,三维效应受叶尖涡影响,且叶尖涡在0°方位角的位置时影响较大,同时还受风轮内流场的作用,且这种作用随着转速的增加而增强.计算结果为进一步研究H型垂直轴风力机提供了参考.     

风速和翼型弯度对垂直轴风机气动性能的影响

为了解风速和翼型弯度对H型垂直轴风机气动性能的影响,选取3种风速(4,8和12 m/s)作为设计工况,以NACA0015,NACA2415,NACA4415和NACA6415 共4种不同弯度翼型作为设计翼型,对某小型H型垂直轴风机进行了二维非定常数值模拟研究,评价指标包括C_P-λ曲线、Pa-n曲线和Qa-n曲线3方面.研究结果表明:风速和翼型弯度均对风力机的气动特性有很大影响.风速主要影响风轮的C_P(P_a)值、运行叶尖速比的范围和高效运行区的范围,且三者均随风速的增大而增大.翼型弯度影响着风轮的C_Pmax值、运行叶尖速比的范围、高效运行区的范围、整个运行区的C_P(Pa)值、经济性和起动性能等多个方面.但是,风速对翼型弯度的选择基本没有影响.综合考虑各因素,弯度为0~2%的翼型是垂直轴风机最为理想的选择.     

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。     

采用新颖翼型的H型风轮气动特性试验研究

为了提高H型风轮的自启动性能,探索性地设计了一种仅有前缘和一个翼面的新颖翼型,并对采用该翼型的H型风轮进行风洞试验,分别测试了H型风轮在多个风速下的空载启动性能和功率输出特性,分析了雷诺数效应及翼型对于不同实度风轮的适用性.结果表明:采用新颖翼型的H型风轮能够低风速启动,具有较好的启动性能,该翼型对于提高大实度风轮的启动性能尤其明显;采用该翼型的大实度风轮以阻力为主要驱动力,本质上属于阻力型风力机,然而具有较高的风能利用系数.综合启动性能和功率输出特性,文中设计的翼型适用于大实度H型风轮.     

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.     

自适应风速垂直轴风力机的阻升转换特性

为了研究自适应风速垂直轴风力机(VAWT-SWS)运行模式的变化规律,设计制作了含有活动和固定叶片的直叶片垂直轴风力机,同时制作出与活动叶片和固定叶片贴合后形状相同的直叶片垂直轴风力机.搭建出风洞试验台,在固定风速和风力机高度条件下,通过增减支撑臂的数量和长度,研究了风力机的叶片数和直径对自适应风速垂直轴风力机阻力和升力运行模式转换的影响.借助于风洞试验获得风力机转矩随尖速比的变化曲线,并与相同参数的直叶片纯升力垂直轴风力机进行了比较,以转矩的接近程度作为判据,判定了自适应风速垂直轴风力机所处的工作模式.试验结果表明:在一定条件下,自适应风速垂直轴风力机可以进行工作模式的自动转换,增加叶片数可使风力机阻升转换所需尖速比降低,而增大风力机直径可使阻升转换所需尖速比提高.研究结果可以为自适应风速垂直轴风力机的设计提供理论指导.     

基于叶素动量复合理论的小型风力机设计与实验

利用叶素动量复合理论设计开发了在低转速下具有高输出力矩的小型水平轴螺旋桨式风力机.同时,自行编制了风力机设计程序,并根据模拟计算结果设计制作了一台具有6枚叶片的小型风力机风轮模型,在不同风速下进行了风洞实验,测试了风力机的输出力矩和功率性能,并将实验结果进行了分析.     

阻力叶片对升阻复合型垂直轴风力机气动性能的影响

为了获取更多的风能,针对升力型垂直轴风力机趋于大型化设计而造成的垂直轴风力机起动困难的问题,提出了一种升阻复合型的新型垂直轴风力机.在保持其升力叶片不变的前提下,利用Fluent数值模拟,建立9种升阻复合风力机数值模型,研究了阻力叶片圆弧半径和相对主轴的距离对其起动性能与运行效率的影响规律.得到阻力叶片最佳的尺寸与位置组合后,与纯升力型的垂直轴风力机进行了比较. 结果表明:在起动性能方面,阻力叶片圆弧半径与相对主轴的距离越大,风力机的起动性能越好.在运行效率方面,当尖速比为0.5~1.0时,阻力叶片圆弧半径和相对主轴的距离的变化,对风力机功率系数影响不大;当尖速比超过1.0之后,阻力叶片圆弧半径与相对主轴的距离变大,会使风力机的功率系数减小.升阻复合型风力机虽运行效率有所降低,但起动性能明显提升.     

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.     

从纵横向流场分析垂直轴风力机功率随转速的变化

为了进一步明晰风轮转速对垂直轴风力机功率输出的影响,以某垂直轴风力机为研究对象,基于Fluent计算软件,采用SST k-ω湍流模型结合滑移网格技术,利用SIMPLE算法迭代,采用二阶迎风格式对垂直轴风力机进行非稳态计算.计算得到了不同转速下的风轮输出功率,通过将计算结果与试验结果进行对比分析,进一步验证了风轮功率随转速变化的规律.风轮速度场研究给出了尾迹不同位置处的纵向剖面速度云图,其中尾迹纵向剖面速度云图中的低速区出现了竖直方向对称而横向不对称现象.同时,通过对比风轮在不同转速下的尾迹流场纵向剖面速度云图和横向涡量场云图的差异发现风轮在额定转速下吸收风能最多,涡量损耗最小,并分析这种现象的诱因,从纵向流场和横向流场双重角度解析了风轮在额定转速下输出功率最大的原因,更加清晰地揭示了风轮输出功率随转速变化规律的机理.研究内容通过纵向截面和横向截面双重角度展现了风轮流场的变化,可为垂直轴风力机的设计和气动性能改善提供参考.