【摘要】： 隨著環(huán)境問題的日益突出,化石能源的漸趨枯竭,迫切需要大規(guī)模進(jìn)行可再生能源的開發(fā)與利用。風(fēng)力發(fā)電作為目前技術(shù)最成熟與最具規(guī)模開發(fā)的新能源,日益受到關(guān)注和重視。相比于水平軸風(fēng)力機(jī)(HAWT)研究的深入,對立軸風(fēng)力機(jī)(VAWT)的研究甚少。本文將采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究立軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的氣動性能和繞流特性。主要包括四個部分:立軸風(fēng)力機(jī)氣動力與數(shù)值模擬基本理論、風(fēng)輪氣動性能計(jì)算、翼型數(shù)值模擬、風(fēng)輪數(shù)值模擬。 1)通過建立葉片與風(fēng)輪的運(yùn)動坐標(biāo)系,詳細(xì)分析了作用于風(fēng)輪和葉片的氣動力。闡述了單盤面多流管模型和雙盤面多流管模型,給出了速度誘導(dǎo)因子的迭代求解算法。介紹了計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)的基本理論及離散方法,分析比較了常用速度—壓力修正方法的優(yōu)缺點(diǎn)。 2)應(yīng)用流管理論并結(jié)合Gormont動態(tài)失速模型與Masse修正方法,對Φ-17m型風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪氣動性能進(jìn)行了計(jì)算和分析,驗(yàn)證了流管模型的準(zhǔn)確度和適用葉尖速比范圍。取風(fēng)輪赤道半徑處葉素、單個葉片和風(fēng)輪為研究對象,詳細(xì)研究分析了風(fēng)輪氣動參數(shù)對其氣動性能的影響規(guī)律。 3)采用不同的數(shù)學(xué)模型模擬了NACA0018翼型±30 o攻角范圍內(nèi)翼型繞流特性,獲得翼型升、阻力系數(shù)與氣流分離特性。分析了繞翼型氣流分離的各種狀態(tài)與過渡過程,并對氣流分離點(diǎn)隨攻角的變化規(guī)律進(jìn)行了討論。 4)采用SST k ?ω兩方程湍流模型,結(jié)合動態(tài)網(wǎng)格和滑動網(wǎng)格技術(shù),對兩種轉(zhuǎn)速下風(fēng)輪二維繞流場進(jìn)行數(shù)值模擬。獲得了風(fēng)輪的繞流特性以及作用于葉片與風(fēng)輪的氣動力與力矩,并對動態(tài)網(wǎng)格與滑動網(wǎng)格下獲得的模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析。 本文研究證明:中、低葉尖速比下流管模型能較準(zhǔn)確的預(yù)測風(fēng)力機(jī)的氣動性能,高葉尖速比時流管模型計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相差較大,須結(jié)合動態(tài)失速模型及修正方法。采用RNG k ?ε湍流模型所得NACA0018翼型氣動特性最接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。應(yīng)用滑動網(wǎng)格與動網(wǎng)格技術(shù)均能較真實(shí)地反映風(fēng)輪繞流場特性,動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)能更加確切地反映風(fēng)力機(jī)的啟動過程及實(shí)際運(yùn)行狀況。
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TK83
【圖文】：

接下來對風(fēng)輪及葉片所受氣動力進(jìn)行分析和氣動力方程推導(dǎo)。取垂直于旋轉(zhuǎn)軸的剖面，葉片處相對風(fēng)速如圖2.1 所示。葉片弦線與旋轉(zhuǎn)圓周切線夾角 β 為安裝角；0V 為葉片處當(dāng)?shù)仫L(fēng)速；TV 為葉片圓周切向速度；RV 為氣流與葉片的相對速度，是0V 與TV 的合速度；0V 與弦線的夾角α 為攻角。三速度的關(guān)系可以表示為：0RTV = V V(2.1)8

圖 2.1 葉片速度矢量分析 圖 2.2 葉片上的空氣動力若已知矢量0V 和TV ，即可確定矢量RV 以及作用于葉片的氣動力。假定流過風(fēng)輪的風(fēng)速的速率和方向是固定的，對葉片在不同方位的速度三角形的研究表明，除了當(dāng)葉素翼型的對稱平面平行或近似平行于風(fēng)的方向外，葉片在各個位置處的合成速度和入流角是不同的，因此其空氣動力合力 F 也不一樣。但是，所有位置上的葉片均產(chǎn)生使風(fēng)輪向一個方向旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩。圖 2.2 是分析風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周中，葉片在各個位置上的速度三角形。氣流流過有攻角的翼型時，產(chǎn)生垂直于RV的升力LF ( L )和平行于RV 的阻力DF ( D )，其合力為 F 。由圖 2.2 中可知所有方位角上的葉片都能產(chǎn)生驅(qū)動風(fēng)輪的正轉(zhuǎn)矩，且相對風(fēng)速與翼型之間的攻角永遠(yuǎn)不會超過極限值：1max 0sin ( / )RαV V = (2.2)另一方面，由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時葉片有較大的切向速度，故葉片的攻角較小，氣流不會失速，葉片可以獲得氣動力。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中葉素攻角是不斷變化的，所以每個葉片引起的轉(zhuǎn)矩是波動的。風(fēng)輪靜止時，相對風(fēng)速RV 和來流風(fēng)速0V 一致，葉片的攻角很大，有些位置甚至大于失速攻角，使得啟動轉(zhuǎn)矩非常低。故 Darrieus

圖 2.3 葉片隨體坐標(biāo)系 圖 2.4 葉片受力分析首先分析單個葉片的運(yùn)動，以及前面的速度三角形。為便于分析，將式(2.1)中的矢量沿葉片隨體坐標(biāo)系1o t 軸和1o n 軸方向分解，可得：0cos cos sinR TV α = V + Vβ θ(2.3)0sin cos cosRV α = Vβ θ(2.4)由式(2.3)和式(2.4)可得葉片的攻角及合速度00cos costancos sinTVV Vβ θαβ θ=+(2.5)2 2 2 2 20 0cos cos ( cos sin )R TV = V β θ + V + Vβ θ(2.6)將升力Lf 和阻力Df 在隨體坐標(biāo)系沿切向和法向分解，可得葉片的切向力tf 和法向力nf 。sin cost L Df = f α fα(2.7)cos sinn L Df = f α fα(2.8)切向力所引起的轉(zhuǎn)矩( sin cos )t L Dm = f r = f α f α r(2.9)將切向力tf 和法向力nf 沿 X 軸和 Y 軸分解，可得葉片的推力xf 和側(cè)向力yf

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本文編號：2794954