分流导叶垂直轴风力机气动性能研究

为提高垂直轴风力机气动性能,提出一种随相位角变化而改变相对夹角的分流导叶结构。以NACA0021为基础翼型,采用计算流体力学方法对分流导叶作用下垂直轴风力机风能利用系数、单叶片瞬时转矩、压力系数及速度场进行数值分析。结果表明：静态和动态分流导叶均可提高垂直轴风力机气动性能,且动态分流导叶提升效果更为显著;相较于静态分流导叶,动态分流导叶垂直轴风力机在尖速比为2.33时风能利用系数最高可提升23%,在尖速比为2.03时静态分流导叶垂直轴风力机较原始垂直轴风力机风能利用系数提高37%;分流导叶也可使最佳尖速比前移,稳定叶片转矩波动,提升垂直轴风力机的运行稳定性。     

基于等效实度法的直叶片垂直轴风力机风能利用系数分析

以叶素-动量理论为基础建立垂直轴风力机的矢量气动模型,分析叶片在360°圆周上的静态动力学特性及在各个方位角下叶片的转矩与功率,提出基于等效实度法的直叶片垂直轴风力机风能利用系数计算方法。借助Matlab对垂直轴风力机风能利用系数进行数值计算,并通过样机对所提方法进行测试,测试结果表明样机的实际风能利用系数与数值计算结果相接近,由此验证所提方法的有效性。     

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。     

叶片最大厚度前部修型的垂直轴风力机气动性能

风力机叶片是使风能转化为机械能的原动机构,是风力机的重要部件,风力机风能利用系数的高低主要取决于其叶片的气动外形。保持直叶片垂直轴风力机使用的NACA0022翼型的对称性不变,改变其叶片最大厚度前部的形状,以期得到高风能利用系数的垂直轴风力机翼型。利用Fluent软件,采用k-ωSST湍流模型和SIMPLE算法,运用滑移网格技术,对由不同叶片构成的风力机进行数值计算。计算结果表明,当叶片最大厚度前部是长短轴比为3∶2的椭圆形状时,风力机的风能利用系数更高,而且处于高风能利用系数的尖速比范围更宽;在尖速比为1.72时,风能利用系数最高,为24.8%,此时的风能利用系数较基本翼型提高了28%。叶片修型提高风力机性能的物理机制是最大厚度点前移后的叶片在大攻角下的扰流流动分离强度减弱了。     

风透镜优化构型对垂直轴风力机气动性能研究

风透镜是一种应用于垂直轴风力机的新型外部辅助装置,为探究风透镜结构对垂直轴风力机气动性能的影响,通过数值模拟的方法,结合贝塞尔曲线对其构型进行优化设计。结果表明：风透镜具有较好的聚风性能,有助于垂直轴风力机气动性能的提升,风透镜结构参数中扩散器半开角对风力机气动性能影响较大,法兰次之。风透镜优化构型后可进一步提升垂直轴风力机的风能利用系数和力矩系数,风能利用系数最高可达参考垂直轴风力机的8.60倍,并使垂直轴风力机在更大叶尖速比工况下仍保持较高运行效率,进一步提升其有效运行工况范围。     

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。     

伸缩式斜柱对垂直轴风力机气动性能影响研究

为改善垂直轴风力机动态失速特性,提出一种可随风力机方位角变化而自动伸缩的斜柱结构翼型。以NACA0021翼型为研究对象,采用数值模拟方法,分析其对垂直轴风力机动态气动性能的影响。结果表明：伸缩式斜柱在作用方位角内可显著抑制流动分离并提高垂直轴风力机转矩,最大风能利用系数较原始翼型提高13.6%;同时,伸缩式斜柱可使最佳工况点向低尖速比偏移,提高整机运行过程中的稳定性。     

垂直轴风力机流场主动控制方法研究

针对垂直轴风力机叶片攻角连续性变化导致的非稳定流动,提出一种改善叶片攻角的主动变桨控制方法。首先通过实验验证数值模拟方法的可行性及有效性,其次对变桨控制前后风力机流场进行二维数值模拟,得到风力机在不同变桨条件下的气动特性及流场结构,计算结果表明:变桨控制可使叶片在不同方位角下处于更合适的攻角,进而获得较优的气动性能,变桨控制后的风能利用系数有所增加。随着最大变桨角度的增加,风能利用系数先增大后减小,最大可提高33.2%,同时主动变桨可抑制叶片尾缘流动分离,使得叶片尾涡耗散轨迹更贴合风轮旋转圆周。从而降低转矩系数波动幅值,提高风力机运行寿命。     

RESEARSCH OF VARIBLE-PITCH CONTROL RULE FORVERTICAL-AXIS WIND TURBINE

针对立轴风力机起动性能差和发电效率低的问题,提出一种自动变桨距立轴风力机方案.根据叶素理论,建立了变桨距叶轮的功率模型,并获得若干种不同尖速比下的最优桨距角控制规律.基于多流管模型,计算得到了不同变桨距规律时的叶轮风能利用系数和转矩,结果表明:该自动变桨距规律可显著提高立轴风力机的启动性能和风能利用系数,为后续变桨距立轴风力机的开发奠定了研究基础.     

基于不同叶片安装角的小型垂直轴风轮气动性能分析

针对不同安装角下的小型垂直轴风轮模型,建立风轮外流场CFD模型,采用移动网格技术,选用SST二维湍流模型和基于压力隐式耦合算法进行瞬态计算,获得风轮气动性能曲线,进而分析不同叶片安装角对小型H型垂直轴风力机风轮功率特性的影响,得出不同尖速比下使风轮获得最大风能利用率的最佳安装角。     

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。     

垂直对称四叶片风力机气动特性仿真研究

采用CFD计算软件对垂直轴风力机气动性能进行计算.首先,使用ICEM软件对模型进行前处理,通过Fluent软件进行数值模拟,分析不同计算时间步长和湍流模型对风力机气动特性仿真结果的影响,确定符合该研究模型的计算方法.随后,对顺流垂旋型垂直轴风力机在不同叶尖速比下进行计算,发现该风力机在叶尖速比为0.42时获得最大功率系...     

吹气控制策略对垂直轴风力机气动性能的影响

为改善垂直轴风力机周围流场结构并提升气动性能,在风力机叶片中采用外吹式流动控制,并提出5种吹气控制策略,通过数值模拟的方法研究不同吹气控制策略对垂直轴风力机气动性能的影响,进一步分析在最佳吹气流动控制策略时的涡量场与载荷波动。研究表明:采用上开口抛物线控制策略时的风力机气动性能最佳,当最大吹气动量系数为0. 025时,风能利用系数及平均力矩系数提升26%,并可抑制大涡的形成及发展,同时改善翼型表面压力分布。     

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...     

摇摆式垂直轴风力机气动特性数值模拟

针对垂直轴风力机无需对风,湍流风风向不断变化的情况,提出转轮轴向力随风向摇摆的垂直轴风力机,利用摇摆产生的切向风和来流风共同作用下的风能,提高气动性能.采用RNG k-ε湍流模型对三叶片摇摆式风力机进行模拟,研究风向变化的周期、幅角以及摇摆迟滞时间对固定式和摇摆式垂直轴风力机力矩系数的影响规律.结果表明:与固定式垂直轴...     

聚风导流型立轴风力机设计及气动性能分析

针对传统的立轴风力机风能利用率低的问题,应用正交优化法和流场数值模拟技术对聚风导流型立轴风力机的结构设计参数进行了优化设计。在同尺度下与传统立轴风力机进行了对比分析。结果表明,聚风导流型立轴风力机叶轮的输出功率、风能利用率及自启动特性均得到了显著提高。     

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%。     

Power correlation for vertical axis wind turbines with varying geometries

In this paper, a new predictive model that can forecast the performance of a vertical axis wind turbine (VAWT) is presented. The new model includes four primary variables (rotor velocity, wind velocity, air density, and turbine power output) as well as five geometrical variables (rotor radius, turbine height, turbine width, stator spacing, and stator angle). These variables are reduced to include the power coefficient (C_p) and tip speed ratio (TSR). A power coefficient correlation for a novel VAWT (called a Zephyr Vertical axis Wind Turbine (ZVWT)) is developed. The turbine is an adaptation of the Savonius design. The new correlation can predict the turbine's performance for altered stator geometry and varying operating conditions. Numerical simulations with a rotating reference frame are used to predict the operating performance for various turbine geometries. The case study includes 16 different geometries for three different wind directions. The resulting 48 data points provide detailed insight into the turbine performance to develop a general correlation. The model was able to predict the power coefficient with changes in TSR, rotor length, stator spacing, and stator angle, to within 4.4% of the numerical prediction. Furthermore, the power coefficient was predicted with changes in rotor length, stator spacing, and stator angle, to within 3.0% of the numerical simulations. This correlation provides a useful new design tool for improving the ZVWT in the specific conditions and operating requirements specific to this type of wind turbine. Also, the new model can be extended to other conditions that include different VAWT designs. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

凹变翼型对风力机气动性能影响的实验研究

为改进课题组自行设计某S型翼型结构,提高300 W小型水平轴风力机气动性能,本课题重点研究翼型吸力面凹变对风力机气动性能的影响.利用二阶迎风格式、S-A湍流模型数值模拟方法及内蒙古工业大学风能太阳能利用技术教育部重点实验室检测设备,探究风力机在3种定常风速、9种叶尖速比共27种工况下风轮的功率系数、功率、转矩等气动参数...     

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。