隨著傳統(tǒng)能源(石油、煤礦等)的不斷消耗,可再生能源的利用所受到的重視與日俱增�？稍偕茉窗L(fēng)能、地?zé)崮堋⑻柲�、生物質(zhì)能和水能等,風(fēng)能在新能源的開發(fā)利用中占有極為重要的地位。風(fēng)力機(jī)是利用風(fēng)能的主要工具,可將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)力機(jī)的機(jī)械能,再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為我們?nèi)粘Ｋ璧碾娔芑蛘邿崮艿?因此風(fēng)力機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)是風(fēng)能利用的最重要的研究部分。不同類型風(fēng)力機(jī)各有其優(yōu)點(diǎn)。本文以垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)為研究對象,應(yīng)用數(shù)值模擬方法,及流體力學(xué)相關(guān)理論,使用到SST k-ω湍流模型、滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、以及PISO算法和QUICK差分格式,對垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)的特性開展了數(shù)值模擬研究。主要工作內(nèi)容如下：1、對不同的網(wǎng)格密度和計(jì)算區(qū)域大小進(jìn)行了計(jì)算和分析,尋找出合適的計(jì)算模型,為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算奠定基礎(chǔ)；2、針對三葉片、五葉片以及六葉片垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī),分析了不同風(fēng)速下葉片寬度、轉(zhuǎn)速對風(fēng)機(jī)功率以及風(fēng)能利用系數(shù)的影響,并找到了最佳值；3、針對五葉片風(fēng)力機(jī),分析了不同葉片寬度時(shí)葉片安裝角度對風(fēng)力機(jī)性能的影響,并找到了葉片安裝角度的最佳值；4、通過分析速度云圖、壓力云圖以及湍動(dòng)能云圖,對比研究了每種風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性。結(jié)果顯示,當(dāng)葉片安裝角度為零時(shí),同種葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)的最佳風(fēng)能利用系數(shù)值隨著葉片數(shù)量的增加而逐漸增大；通過改變?nèi)~片的安裝角度,能有效的加強(qiáng)風(fēng)能利用系數(shù)；對于半徑為2m的風(fēng)力機(jī),三葉片、五葉片、六葉片風(fēng)力機(jī)的葉片寬度優(yōu)化后分別為1.32m、0.80m以及0.70m。三葉片和六葉片風(fēng)力機(jī)均在凹葉片的邊緣處產(chǎn)生最大壓差。
【學(xué)位單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TK83
【部分圖文】：

類似于機(jī)翼的形狀，作用在其上的力是由于環(huán)繞氣流的流速變化所引起的，當(dāng)逡逑通過翼型上方的氣流速度大于下方時(shí)，翼型上方的壓力小于下方壓力，形成了風(fēng)力機(jī)的逡逑動(dòng)力。我們以Ｈ型垂直軸風(fēng)力機(jī)為例研究其轉(zhuǎn)動(dòng)過程，圖１．４為風(fēng)輪的示意圖。逡逑冬１，逡逑圖１．４Ｈ型風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪示意圖逡逑該風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪部分由兩個(gè)等截面的葉片、轉(zhuǎn)軸以及支架組成，葉片的截面是對稱逡逑的流線型，葉片以相反的方向圍繞轉(zhuǎn)軸排列，由支架連接。當(dāng)風(fēng)力機(jī)工作時(shí)，葉片圍繞逡逑轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此我們選取葉片從０°至３６０°的八個(gè)方位變化位置作為研究對象，分析其逡逑在理想狀態(tài)下的受力情況。逡逑圖１．５為葉片分別在０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°八個(gè)位置的示意逡逑圖。風(fēng)從左側(cè)進(jìn)入，葉片沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)到９０°和２７０°時(shí)，葉片無升力，而逡逑其余的六個(gè)位置均產(chǎn)生能使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的升力。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩力為升力和沿葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)逡逑方向的阻力的合力。圖１．６為選取單一葉片所受的力分析。由圖可見，當(dāng)葉片處于０°或逡逑１８０°附近時(shí)才有較大的輸出力，而在１８０°至２７０°附近的角度內(nèi)產(chǎn)生的是反轉(zhuǎn)力矩，對風(fēng)逡逑力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是阻礙作用。逡逑５逡逑

３．１．２葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)逡逑在選定風(fēng)力機(jī)葉片形狀的條件下，影響風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用率的因素有葉片的數(shù)量、葉逡逑片寬度的大小、葉片氋度的大小。圖３．１為五葉片風(fēng)力機(jī)的俯視示意圖，圖中半圓形為逡逑葉片，五個(gè)葉片等間距環(huán)繞排列，在葉片末端至中心點(diǎn)的連接為支架，ｒ表示葉片的半逡逑徑，Ｒ表示風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的半徑，（Ｒ－２ｒ）則為支架的長度，０為葉片最外邊緣與支架的夾角，逡逑即為安裝角度，并且規(guī)定順時(shí)計(jì)旋轉(zhuǎn)為正，逆時(shí)針為負(fù)。逡逑２１逡逑

逡逑圖３．２為５葉片垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)簡化后的二維流場模型。取風(fēng)力機(jī)流場模型的逡逑幾何參數(shù)為：風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑為２ｍ，半圓弧型風(fēng)葉的直徑為０．７６ｍ，葉片高度為Ｉｍ，葉逡逑片數(shù)為５。風(fēng)從左側(cè)進(jìn)入流場，右側(cè)流出流場，風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)是沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。逡逑邐＾逡逑＾邋Ｖ邋邐邋邐＾—．風(fēng)葉逡逑邐？逡逑圖３．２風(fēng)力機(jī)的二維流場模型逡逑在風(fēng)力機(jī)的非定常數(shù)值計(jì)算中，需要將流場劃分為兩種區(qū)域，一種是靜態(tài)區(qū)域，另一逡逑種是動(dòng)態(tài)區(qū)域，也就是葉片的旋轉(zhuǎn)區(qū)域。如圖３．２所示，將整個(gè)流場的計(jì)算區(qū)域劃分為逡逑ＺＫＺ２以及Ｚ３三個(gè)部分。Ｚ３是半徑為Ｉｍ的圓形中心區(qū)域，其內(nèi)部流場屬于靜態(tài)區(qū)域；逡逑Ｚ２為圓環(huán)形動(dòng)態(tài)區(qū)域，半徑為２．２ｍ，包含風(fēng)機(jī)葉片；Ｚ１為長方形靜態(tài)區(qū)域，扣除了逡逑Ｚ２和Ｚ３的計(jì)算區(qū)域，是整個(gè)流場的模擬范圍。邐、逡逑在建立二維模型的過程中

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2833101