【摘要】：垂直軸風(fēng)力機(jī)適用于任何風(fēng)向,無(wú)需偏航裝置；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)至于地面,易于運(yùn)行與維護(hù)；葉片制造加工容易、成本低以及噪聲小等優(yōu)點(diǎn),受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注,逐漸向大型化的方向發(fā)展。準(zhǔn)確的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能分析與設(shè)計(jì)是保證風(fēng)力機(jī)安全可靠地運(yùn)行,推動(dòng)其快速發(fā)展的關(guān)鍵。垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的研究方法包括實(shí)驗(yàn)法、模型法和數(shù)值法。實(shí)驗(yàn)方法實(shí)施比較困難,測(cè)量數(shù)據(jù)有限。模型法主要指基于動(dòng)量定理和葉素理論的流管模型。數(shù)值法主要包括基于勢(shì)流數(shù)值計(jì)算法的渦流模型和基于Navier-Stokes方程的CFD數(shù)值模擬方法。無(wú)論是流管模型還是渦流模型,對(duì)于流體粘性因素的考慮都是基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到的翼型氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)。目前,CFD方法以其突出的優(yōu)勢(shì)在風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的研究方面扮演著越來(lái)越重要的角色。為此,本文采用CFD商用軟件FlowVisionHPC,選用SST湍流模型,假設(shè)全流場(chǎng)為湍流流動(dòng),研究了升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的非定常粘性繞流場(chǎng)。首先,采用CFD軟件FlowVision HPC以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檠芯繉?duì)象,研究了單葉片和三葉片結(jié)構(gòu)的H型風(fēng)力機(jī)的二維非定常粘性繞流場(chǎng)和三葉片結(jié)構(gòu)的H型風(fēng)力機(jī)的三維非定常粘性繞流場(chǎng)。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較,確定了計(jì)算方法的正確性。分析了一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)葉片和風(fēng)輪的切向力系數(shù)的變化,風(fēng)輪附近的流動(dòng)細(xì)節(jié),流場(chǎng)的速度分布和葉片脫落渦的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)三維數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)驗(yàn)值,但是風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷仍低,主要是由于葉片兩端的葉梢渦非定常運(yùn)動(dòng)和低葉尖速比時(shí)葉片出現(xiàn)動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象所致。針對(duì)這兩個(gè)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題論文提出了在葉頂加裝端板的方法來(lái)削弱葉梢渦的強(qiáng)度和采用變槳方式調(diào)節(jié)葉片攻角的變化范圍來(lái)提高風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷。將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娜~片兩端加裝了端板,采用相同的數(shù)值模擬方法,選擇低、中、高三個(gè)葉尖速比進(jìn)行了研究。分析了葉頂處相對(duì)速度的變化和葉片吸力面的壓力分布,揭示了加裝端板后風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷提高的原因。之后,建立了變槳式H型風(fēng)力機(jī)的二維非定常粘性繞流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法。分別采用固定葉片槳距角和動(dòng)態(tài)變槳方式來(lái)調(diào)節(jié)攻角的變化范圍,討論了槳距角變化對(duì)風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)、氣動(dòng)載荷,以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)不同時(shí)刻非定常速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)的影響,揭示了變槳式H型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷提高的原因。通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)H型風(fēng)力機(jī)的尾流較復(fù)雜,尾渦不斷脫落其非定常運(yùn)動(dòng)是值得深入研究的問(wèn)題�；诖�,選用兩臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閷?duì)象,研究了風(fēng)力機(jī)間距不同時(shí),上游和下游風(fēng)力機(jī)各個(gè)葉片的切向力系數(shù)隨相位角的變化和風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)不同位置處的速度分布,以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期二維非定常速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)和湍動(dòng)能的變化,揭示了尾流效應(yīng)對(duì)下游風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的影響,為風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)力機(jī)的排布設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。針對(duì)H型風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)能力較差的問(wèn)題,以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閷?duì)象,研究了H型風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)的氣動(dòng)性能。在把計(jì)算的風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上,揭示了風(fēng)力機(jī)的扭矩隨啟動(dòng)時(shí)間的變化規(guī)律。分析了葉片槳距角不同時(shí)的風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)特性,討論了啟動(dòng)過(guò)程中不同時(shí)刻槳距角變化對(duì)三葉片H型風(fēng)力機(jī)二維非定常粘性速度場(chǎng)的影響。此外,還采用基于動(dòng)量理論的均勻多流管模型和多流管型建立了計(jì)算Φ型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的方法和程序。在多流管模型中加入了附加阻力系數(shù)修正和動(dòng)態(tài)失速修正。研究了不同實(shí)度和高徑比對(duì)Φ型風(fēng)力機(jī)工作特性的影響,給出了風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇的實(shí)度和高徑比的范圍,這些內(nèi)容寫在論文的附錄中。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK83

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2620958