非对称翼垂直轴水轮机水动力性能研究

为了研究非对称翼垂直轴水轮机的水动力性能,利用Fluent软件建立水轮机的二维模型,分析采用不同拱度非对称翼的垂直轴水轮机在不同叶尖速比下的水动力性能、能量提取性能以及非对称翼的安装位置对水轮机性能的影响,并与对称翼垂直轴水轮机的性能进行对比。研究结果表明:与对称翼垂直轴水轮机相比,非对称翼垂直轴水轮机在较低和较高叶尖速比区间具有更高的能量提取效率,但在中等叶尖速比区间,即水轮机最佳工作区间,采用非对称翼会导致能量提取性能下降;增大水翼的拱度,能有效减小水翼受力波动幅度,有利于提高水轮机的疲劳寿命;非对称翼的安装位置为0.7c时,非对称翼垂直轴水轮机的能量提取性能最佳。     

定常吸气对垂直轴风力机性能影响研究

定常吸气装置可有效提高垂直轴风力机气动性能,改善风轮流场结构及翼型动态失速特性。基于CFD方法对垂直轴风力机进行数值模拟,研究不同叶尖速比（TSR）下定常吸气对风力机气动及流场特性的影响,对比分析原始风力机及定常吸气作用下的风能利用率、整机转矩系数及涡量分布。结果表明：不同尖速比下定常吸气均可显著提高风力机气动性能,减小风轮载荷波动,降低最佳叶尖速比,提高风力机运行稳定性;叶尖速比为2.51时,风能利用系数增加34.69%;定常吸气削弱了风轮叶片间尾涡脱落的影响,抑制叶片前缘涡的形成,减缓了叶片的动态失速现象,对风轮流场有良好的改善效果。     

S型水轮机水动力性能研究

为了提高S型(Savonius)水轮机的水动力性能,应用Fluent软件构造其直叶片型和螺旋型三维模型,分别分析在不同扭角、不同叶尖速比和不同流速三种情况下的力矩特性及其捕能效率。仿真结果表明,传统直叶片S型水轮机旋转时存在负转矩区,而螺旋型S水轮机叶片形状会使水流产生竖直方向分量减小旋转产生的负转矩,提高水轮机的启动效率,当扭角为30°时,水轮机启动转矩达到最大,且随着叶尖速比增加,水轮机的功率系数先增加后减小,适用于叶尖速比较低的工况。当水流流速从0.5 m/s增加到2.0 m/s时,最大功率系数随着流速的增大而增大,提高了水轮机最大能量捕获系数。     

基于滑移网格的垂直轴潮流水轮机的三维数值模拟

为了探究翼型对垂直轴水轮机水力效率的影响,基于叶素理论分析建立了垂直轴潮流水轮机在水槽中的物理模型,采用滑移网格技术在Fluent软件中对模型的流场进行了三维数值模拟。在保持转速一定、更改来流速度即改变叶尖速比的条件下,分析了两种不同NACA翼型直叶片的潮流水轮机内部流场以及水力性能。结果表明,翼型以及叶片安装角对垂直轴潮流水轮机的利用效率影响很大,其流动特性与来流速度、叶片布置形式有重要联系,为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。     

多工况条件下变叶片数潮流能水轮机能量及流动特性研究

文章建立了潮流能水轮机水动力性能数值计算模型,通过实验验证了利用该模型预测水轮机尾流的准确性,并利用该模型研究了潮流能水轮机在不同叶片数和不同叶尖速比条件下的能量和流动特性。研究结果表明:该数值计算模型在预测尾流速度亏损和湍流强度方面具有较好的精度,尤其在远尾流区,数值计算结果与实验结果保持一致;当叶尖速比(TSR)为4.5左右时,3叶片和4叶片的潮流能水轮机具有相对较高的获能系数,此结果对于水平轴潮流能水轮机的设计具有一定的指导意义。     

吸气控制策略对垂直轴风力机气动性能影响研究

针对垂直轴风力机复杂气动特性,将吸气孔置于风力机翼型上下表面,提出不同吸气控制策略以改善其气动性能。基于CFD方法,研究不同叶尖速比下吸气策略对风力机风能利用率、叶片切向力系数及流场特性的影响,综合考虑能量消耗与风力机输出功率。结果表明：提出的3种控制策略在低叶尖速比下均能大幅提升整机气动效率。效果最佳的迎、背风区交替吸气策略可显著推迟分离点,延缓翼型动态失速发生,并减少分离涡周期性脱落造成的损失。此外,该策略对动态尾迹效应有良好的控制效果,同时降低整机转矩波动幅值,消除中低叶尖速比下风轮负转矩,从而提高获能效率且延长风力机使用寿命。     

水平轴潮流能水轮机复合材料叶片自适应性研究

叶片是水轮机中潮流能向机械能转化的核心部件,直接影响水轮机的水动力性能和结构性能。以水平轴潮流能水轮机复合材料叶片为例,基于复合材料弯扭耦合理论,采用双向流固耦合方法研究了叶片的自适应性。结果表明,采用对称铺层方式的复合材料叶片,可提高水轮机的能量利用率,并在较大的速比范围内使水轮机保持较高的效率;降低叶片上的应力集中,可改善结构性能;对称铺层可利用叶片的弯扭耦合特性,使叶片具备自适应性,从而提高水轮机的水动力性能和结构性能。     

垂直轴风力机叶尖速比分析研究

分析了垂直轴风力机叶尖速比选择的特点和影响因素;给出了垂直轴风力机叶片攻角与旋转位置的关系式;计算并分析了各种叶尖速比下的攻角分布情况;得出了垂直轴风力机最佳叶尖速比和相应的叶片设计要求。如果只考虑提高风能利用系数,垂直轴达里厄型风力机叶尖速比值应选择4。     

涡流发生器对潮流能水轮机叶片流动分离特性影响研究

当来流速度过大或在大攻角来流工况下,潮流能水轮机叶片边界层会发生流动分离,导致获能效率降低,甚至会使叶片发生失速破坏。针对上述问题,该文将涡流发生器（VGs）理论与水轮机叶片设计相结合,开展VGs对潮流能水轮机叶片流动分离现象的抑制机理研究。以NACA63418翼型设计的潮流能水轮机叶片为研究对象,分别建立带和不带VGs的叶片三维模型,应用CFD方法研究VGs对潮流能水轮机叶片的流动分离特性影响。结果表明：水轮机叶片流动分离主要发生在吸力侧表面叶根部分,随着流速的增大会沿叶根向叶尖径向扩展;VGs能有效减小水轮机叶片吸力侧表面分离区域,抑制流动分离现象发生;在该研究中,安装VGs后水轮机叶片整体获能性能提升明显,获能系数增加0.5%~5.0%,且能增加潮流能水轮机运行稳定性。     

垂直轴风力机叶片变桨距运转模式研究

针对垂直轴风力机自启动性能差和风能利用率低的问题,提出一种新型自动变桨距垂直轴风力机方案。结合垂直轴风力机叶片攻角变化及翼型气动力特性,制定了一种最优叶片桨距角变化模式。根据叶素理论,计算得到了采用该变桨距模式在低叶尖速比和高叶尖速比时的叶轮扭矩系数,结果表明,采用该变桨距模式可有效增大垂直轴风力机的启动力矩以及提高其风能利用系数,为进一步开发自动变桨距垂直轴风力机奠定了研究基础。     

新型变桨立轴风力机涡效应分析

该文旨在通过变桨来改善升力型立轴风力机叶片气动特性,提高风力机最大运行效率。针对设计尖速比下风能利用系数较低的问题,提出减小叶片小攻角范围,增大叶片大攻角工作范围,以重点改善叶片低性能区域的气动特性为出发点,提高风能利用系数新变桨思路。以采用NACA0012翼型、2 m高和2 m旋转直径的两叶片H型风力机为研究对象,从涡理论来分析和比较在最佳尖速比为5的条件下,附着涡、尾随涡、脱体涡和桨距角对攻角、切向力和功率输出的影响规律。研究结果表明:变桨后,叶片的攻角、切向力和输出功率在原最大值两侧均有明显提高,拓宽了叶片高性能的工作区域;涡系中脱体涡对叶片气动特性影响最大,其中在上盘面影响较小,在下盘面影响较大;变桨前后涡系对上盘面的差异较小,对下盘面的影响差异较明显;变桨后,下盘面的叶片的涡尾迹弯曲程度在加大。     

格尼襟翼垂直轴风力机风场研究

为研究垂直轴风力机风场中机组气动性能受格尼襟翼的影响,采用TSST湍流模型对直线翼垂直轴风力机进行数值模拟研究。结果表明：风场上游风力机组尖速比越大,机组间流体加速效果越显著,使风力机组气动性能高于单风力机;在中低尖速比时,格尼襟翼可有效提升单个风力机气动效率,在尖速比较高时,提升效果并不明显;在风力机组中安装格尼襟翼且可优化上游风力机组尾迹流场并提高机组间流体的加速效果,使下游风力机获得更高的风能利用率;当格尼襟翼风力机组采用交错排布方式时,下游风力机可利用阻塞效应和格尼襟翼的双重优势,叶片平均切向力较单风力机大幅提升,且风场中3台风力机切向力的平均值高于单台风力机,风场中机组整体性能得到提高。     

垂直轴风力机变桨控制策略及气动性能影响研究

以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于不同尖速比下攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,即攻角较大时俯仰变化幅值较大,而攻角较小时幅值较小。通过数值计算了解此控制方式对气动性能的影响规律,分析变桨后不同旋转角度下风力机涡量场的变化,并讨论气动载荷变化的原因。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著增强风力机功率系数,且尖速比较低时提升效果越显著,在TSR为1.25时功率系数提升高达146%。     

可变叶片安装角立轴风力机的转动力矩计算

为提高市轴风力机的效率,对可变叶片安装角的立轴风力机进行了分析,根据机翼升力与阻力的理论,在固定来流风速和旋转速度下计算了叶片在每个方位角上产生力矩最大的最佳安装角的变化规律,为了更好的运行,对最佳安装角的变化规律进行了一定修改.计算比较了固定安装角度的叶片与可变安装角度的叶片旋转一周产生的力矩,结果表明叶片在最佳安装角下运行时,每一转的正力矩都有明显增大,平均力矩町提高14倍.多个叶片在最佳安装角下运行时的力矩变化较平稳.可变叶片安装角立轴风力机是一种有发展前途的动力设备.     

遗传算法在水平轴洋流机叶片优化设计中的应用

水平轴洋流机是捕获洋流能的主要设备,其叶片外形直接影响捕能效率。通过Bezier参数化曲线描述定速定桨距洋流机的叶片弦长和扭角分布规律,采用叶素-动量理论计算其水动特性。以额定流速下能量利用系数系数最大为目标,基于遗传算法建立了叶片外形优化模型。同时,为了避免因汽蚀导致功率输出不稳定的现象,在优化过程中以汽蚀作为约束条件,与经典设计方法Wilson理论设计叶片进行了比较。结果表明:优化叶片在叶根处的扭角更小,具有更佳的抗扭性能;叶根和叶尖处弦长均更小,节省了材料;在设计流速范围内,优化叶片在低流速下效率更高,平均提高了4.6%,具有更好的启动性能。     

不同扩散体对建筑增强型垂直轴风力机气动性能的影响

为研究不同建筑扩散体对建筑增强型直线翼垂直轴风力机的气动性能与流场结构的影响,采用CFD数值模拟的方法,以NACA0021为叶片翼型的多叶片建筑增强型直线翼垂直轴风力机为对象,研究其在不同建筑扩散体及不同尖速比下的气动性能。结果表明:建筑增强型直线翼垂直轴风力机存在最佳尖速比;不同建筑扩散体对提高直线翼垂直轴风力机风能利用率影响较大,在所选取的8种建筑扩散体模型中,梯形建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机在尖速比为4.62时标准化风能利用率可达1.560 7,而A1翼型式建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机前后压差较小,风能难以利用。     

基于CFD的二维垂直轴风力机性能计算

采用计算流体力学方法(CFD)针对垂直轴风力发电机,开展简化的二维绕流特性研究。首先,基于开放型转子和增强型转子,研究网格节点数和壁面y+、计算时间步长和湍流模型等的变化对计算结果的影响,对计算模型和方法进行确认。随后,计算分析增强型垂直轴风力机与开放型垂直轴风力机的特性。结果表明,与开放性垂直轴风力发电机相比,增强型垂直轴风力发电机的功率系数和转矩系数有明显增加,且达到最大值的位置向叶尖速比增大的方向移动。然后对增强型垂直轴风力机发电机在不同来流风速下进行计算,发现增强型垂直轴风力发电机的转子转矩随来流风速增加,而转矩系数和功率系数与来流风速无关。最后,针对定子叶片在不同的方向开展计算研究。结果表明,定子叶片在不同方向时,增强型垂直轴风力机的转子转矩不同,且转矩到达峰值的位置也不同;在当前3个方向角中,叶片处于0°方向角时风力机具有最高的转矩系数,即具有最佳的功率系数。     

垂直轴风力机两种翼型气动性能比较研究

叶片是风力机最重要的组成部分,在不同的风能资源情况下,翼型的选择对垂直轴风力机气动特性有着重要的影响。文章分别以NACA0018翼型(对称翼型)和NACA4418翼型(非对称翼型)建立3叶片H型垂直轴风力机二维仿真模型。应用数值模拟的研究方法,从功率系数、单个叶片切向力系数等方面比较两种风力机模型在不同叶尖速比下的气动特性,并采用风洞实验数据验证了流场计算的准确性。CFD计算结果表明:在低叶尖速比下,NACA4418翼型风力机气动特性优于NACA0018翼型风力机,适用于低风速区域;在高叶尖速比下,NACA0018翼型风力机气动特性较好,适用于高风速地区。而且在高叶尖速比时,NACA0018翼型在上风区时,切向力系数平均值要高于NACA4418翼型,在下风区时,NACA418翼型切向力系数平均值高。该研究可为小型垂直轴风力机翼型的选择提供参考。