固定偏角垂直轴潮流能水轮机叶片安装位置试验研究

叶片安装位置是影响固定偏角垂直轴潮流能水轮机水动力性能的关键参数之一,为了研究其对水轮机性能影响的基本规律,建立了垂直轴水轮机水槽模型试验系统,设计了垂直轴水轮机性能和载荷测试方法。通过试验结果的分析,得到了叶片安装位置对水轮机能量利用率、推力系数、侧向力系数和合力系数的影响规律,为水轮机设计提供了试验依据。     

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。     

潮流能水轮机叶片翼型水动力性能的数值模拟研究

鉴于潮流能水轮机叶轮叶片性能的好坏关系到叶轮的捕能效果,而叶片翼型的水动力性能是叶片设计的基础,基于CFD软件ANSYS CFX对部分翼型的水动力性能进行了分析。首先在不同湍流模型下对NACA2412翼型的部分水动力特性进行数值模拟并与试验值做对比分析;然后在SST湍流模型下,对NACA64421翼型在攻角为0°时,探讨了边界层网格对数值模拟结果的影响;并对其在攻角为-2°~20°情形下的水动力性能进行了数值模拟。结果表明,湍流模型的选用、边界层网格划分及近壁尺寸的选取对数值模拟结果的影响均较大,并通过数值模拟得到了NACA64421翼型的升力系数、阻力系数、最佳攻角、失速角等水动力性能参数,可为水轮机叶片设计时翼型的选取提供参考。     

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。     

导流涵道安装角度对垂直轴水轮机性能影响研究

垂直轴水轮机转子增加增速装置能够有效提高能源利用率,但相关导流涵道安装角度对垂直轴水轮机水力学性能影响的研究较少。文章针对一种导流涵道装置,采用CFD数值模拟研究方法,研究导流涵道安装角度不同时,对垂直轴水轮机的输出功率和能源利用率的影响,以及垂直轴水轮机叶片和导流涵道的受力情况。研究结果表明:当导流涵道安装角α为0°时,水轮机的能源利用率最大,最大可达0.658,导流涵道受力情况更好;当安装角α为0～10°时,随着安装角度的增大,水轮机的能源利用率逐渐减小,最大减少13.6%,水轮机叶片受到的平均侧力会增加,平均推力和平均扭矩会减小,下导流涵道受力和力矩增大。     

叶片前缘偏转对H型垂直轴水轮机性能的影响

为提高传统直叶片升力型（H型）垂直轴水轮机的获能效率,提出一种带前缘可偏转叶片的新型垂直轴水轮机,利用计算流体力学（CFD）方法,结合重叠网格和动网格技术对这种新型垂直轴水轮机叶轮的水动力性能进行系统的数值模拟计算,分析不同叶尖速比下带前缘偏转叶片的垂直轴水轮机绕流流场,从而探究前缘偏转角度和偏转长度对这种水轮机动力性能和获能效率的影响规律。结果表明,根据叶片旋转到不同位置时实施前缘偏转可改变来流攻角从而减缓或抑制叶片吸力面的流动分离,有效改善其动态失速特性,进而使H型垂直轴水轮机的水动力性能和获能效率得到明显提升。研究发现,低叶尖速比下这种改善效果最为显著,可拓宽H型垂直轴水轮机高效运行的工作范围。     

叶片端板对垂直轴水轮机水动力性能影响的研究

为了减小叶片端部涡流的影响,提高叶片效率,在垂直轴潮流能水轮机叶片端部加装端板。使用Fluent软件对不同流速下加装端板前后的水轮机流场进行三维数值模拟,比较其水动力性能的变化,并通过拖曳水池进行物理模型实验验证。结果表明,为垂直轴水轮机叶片末端加装端板可抑制叶片端部涡流,提高水轮机输出功率。     

叶片安装角对H型垂直轴风力机气动性能的影响研究

通过对直叶片垂直轴风力机在不同翼型、尖速比和实度组合状态下改变其叶片安装角得到的模型进行流场计算,总结以上3种情形下不同安装角对直叶片垂直轴风力机气动性能的影响:在以上3种情形下,负安装角对其气动性能不利;最佳气动性能安装角为1°~3°;安装角对其性能的影响相对有限(NACA0015,尖速比λ=1.5时,功率系数CP值从31.3%增加到34.5%),翼型厚度对气动性能的影响较大(21%厚度翼型,其C_P值约为40%),欲得到更好的CP值,最好通过改变翼型或增加翼型厚度来实现;当叶片翼型的相对厚度较小或工况为高尖速比下时,有必要通过改变安装角改善风力机的性能。     

应用激面模型潮流能水轮机的数值模拟

为了减少潮流能水轮机模型流场计算所需的网格数并提高透平近尾流区流场的精度,在潮流能水轮机流场数值计算中引入激面模型。通过数值计算获得与实验一致的潮流能水轮机用水翼不同攻角下沿弦长的压力分布,应用二维激面模型模拟攻角为10.8°时水翼周围流场的压力分布与翼型结构模型数值计算结果相吻合。在此基础上将二维激面模型扩展成三维激面模型,分析三叶片潮流能水轮机的水动力性能与近尾流场结构,结果显示:应用三维激面模型计算获得的透平水动力性能与实验结果和激盘模型结果基本一致;在计算域网格数相近的情况下,激面模型获得较激盘模型更详细的潮流能水轮机近尾流场。结果证明了激面模型的优越性,并可应用于潮流能水轮机水动力性能及流场计算。     

振荡水柱波浪发电空气透平工作特性数值模拟

为更深入地探讨振荡水柱式波能发电装置的原理,对用于波力发电装置二次能量转换的威尔斯式透平进行了三维全流道模拟计算。针对对称翼型叶片和非对称翼型叶片的威尔斯式透平,分别考察了其在不同叶片安装角下的效率和出力随流量系数的变化趋势,得出了不同叶片安装角时威尔斯式透平运行的最佳参数。在相同工况下,对比分析了不同翼型叶片威尔斯式透平的效率、出力、输入系数及扭矩系数随流量系数的变化,并比较了叶片表面的压力分布情况。结果表明,随着叶片安装角增大,装置最高效率值增大,且在安装角大于9°后变化缓慢,而装置最大出力却随着安装角的增大而减小;采用非对称翼型叶片时,装置的出力、输入系数、扭矩系数均大于相同工况下对称翼型叶片装置。     

Analysis of aerodynamic load on straight-bladed vertical axis wind turbine

This paper presents a wind tunnel experiment for the evaluation of energy performance and aerodynamic forces acting on a small straight-bladed vertical axis wind turbine (VAWT) depending on several values of tip speed ratio. In the present study, the wind turbine is a four-bladed VAWT. The test airfoil of blade is symmetry airfoil (NACA0021) with 32 pressure ports used for the pressure measurements on blade surface. Based on the pressure distributions which are acted on the surface of rotor blade measured during rotation by multiport pressure-scanner mounted on a hub, the power, tangential force, lift and drag coefficients which are obtained by pressure distribution are discussed as a function of azimuthally position. And then, the loads which are applied to the entire wind turbine are compared with the experiment data of pressure distribution. As a result, it is clarified that aerodynamic forces take maximum value when the blade is moving to upstream side, and become small and smooth at downstream side. The power and torque coefficients which are based on the pressure distribution are larger than that by torque meter.     

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.     

垂直轴风力机气动特性与涡脱落模态分析

垂直轴风力机运行过程中,叶片上下表面边界层与剪切层的相互作用使风力机下游尾迹形成周期性涡结构,这种尾迹涡结构对风力机空气动力学特性具有重要影响。基于此,该文采用计算流体力学方法对不同工况下垂直轴风力机尾迹涡结构展开研究,利用快速傅里叶变换与相空间轨迹分析不同尖速比下风力机叶片涡脱落现象和尾迹涡结构,并通过分形维数研究转矩与尾迹流场速度变化。结果表明：风力机尾迹涡结构随尖速比变化呈现不同特征,当尖速比为3.6时,风力机尾迹两侧呈规则性反向脱落涡模态;低尖速比垂直轴风力机尾迹具有明显的混沌特性,且随尖速比的增加混沌特性逐渐减弱;随着尖速比的增加,风力机转矩与下游速度分形维数不断降低,且当尖速比为3.6时,风力机下游速度分形维数仅为1.07。     

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。     

安装角变化下垂直轴风力机气动性能的研究

建立了3D垂直轴风力机模型,应用FLUENT软件求解三维非定常不可压缩N-S方程和RNGκ-ε湍流模型,采用SIMPLE算法并结合滑动网格技术,数值模拟了安装角变化下垂直轴风力机的三维非定常流场,分析了不同时刻的速度、涡量分布、风力机总转矩的变化规律及风能利用系数。结果表明,计算区域流场复杂,垂直轴风力机的转矩呈周期性变化,风能利用系数随安装角变化而变化。     

导流罩对潮流能水轮机效率提升分析

设置导流罩能提高潮流能水轮机效率,缩小转轮尺寸,降低机组造价。为了揭示导流罩聚能增效机理,采用VOF两相流模型对竖轴直叶潮流能水轮机进行三维模拟分析。即先根据模拟对象计算无导流罩情况下水轮机效率与尖速比的关系曲线,并对比加装导流罩前后的流态变化;然后分析导流罩各体型参数对水轮机获能效率的影响,通过正交分析得到使水轮机效率最高的体型。研究表明,导流罩通过提高转轮下游盘面流速来提高水轮机获能效率,其中导流罩喉部宽度对水轮机效率影响最大。     

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...