基于数值模拟Savonius风力机性能优化研究

提出了螺旋形Savonius风轮,采用计算流体力学,从高径比(H/D)、叶片数、偏心系数(e/d)、叶片扭转角度θ4个参数对风轮进行了三维数值分析和性能优化。结果显示两叶片风轮性能高于三叶片的性能,当H/D=6、e/d=0.3、θ=180°和叶尖速比为0.75时,风能转化率达0.2;模拟结果与试验结果吻合良好,证明模拟结果具有可参考性。     

叶片转角对小型Savonius风机气动性能的影响

Savonius风机是一种典型的垂直轴风力发电机,通过对其进行流固耦合分析,研究叶片转角对风机气动性能的影响。利用ANSYS的CFX流体模块,流体湍流模型选择基于RANS的标准k-ε湍流模型,对风轮进行流固耦合分析,从而获得叶片产生的力矩情况,并计算了风机的功率特性。利用求解结果,得到了力矩系数与叶片转角之间的关系。分析了风机叶片在旋转一周中所产生的最大扭矩以及负扭矩所处的位置和范围。通过分析转角对风机性能的影响,可为今后的Savonius风机叶片形状优化和效率提升提供参考。     

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...     

Savonius风力机力矩特性的数值计算与风洞试验研究

利用数值计算和风洞试验相结合的方法对Savonius风力机的力矩特性进行了研究。首先在数值计算中选用了2种湍流模型,即单方程Splart-Allmaras湍流模型和双方程k-ε湍流模型,计算了Savonius风力机在不同攻角下的静力矩以及在不同转速下的输出力矩和输出功率,得到了风力机周围的流场,并对流场进行了分析;利用风洞试验对数值计算结果进行了验证,对比分析了不同湍流模型对Savonius风力机力矩特性和风轮周围流场的影响。     

基于多次Bezier曲线的Savonius风力机叶片优化设计

为提高Savonius风力机效率,提出一种基于多次Bezier曲线的Savonius风力机叶片设计新方法,通过调整设计公式中4个设计参数(叶片弦长L、叶片顶点偏向控制系数k_x、叶片顶点高度控制系数k_y、叶片头部宽度控制系数k_a)来修改叶片形状;结合CFD数值模拟、正交试验、响应面法分析得到最优风轮尺寸参数及其性能特点。研究结果表明:所提出的叶片优化设计方法适用于所有Savonius风力机,优化过程直观、便捷,优化结果准确;优化后风轮的风能利用系数、扭矩系数明显提高,且风速越低,提高越明显。风速为3.0 m/s时,风轮的最大CP值增大4.2倍,最大CM值增大3.7倍,优化后的风轮更适宜在低风速下运行。     

干扰气流对Darrieus风轮气动性能影响研究

Darrieus风轮单个叶片的力矩特性曲线随方位角成波浪形变化,90°和270°方位角的力矩系数为极小值且为负值,严重影响立轴风力机整体气动特性。针对此问题,提出通过导叶来引入干扰气流,对两方位角的流场进行改善,进而提高整体气动特性的性能改善方法。采用SST k-ω湍流模型进行二维数值计算,以270°方位角加导叶的和无导叶的直叶片立轴升力型风轮为对象进行对比分析。研究发现,导叶使270°方位角附近区域的叶片力矩系数明显提升,最大力矩系数由无导叶的-0.03提升到0.07,使270°方位角叶片的吸力面负压系数和压力面正压系数都有较大提高;风轮风能利用系数在运行范围内都有明显提高,在最佳尖速比下提高12%。     

直径比对组合型垂直轴风力机气动特性影响仿真计算

与Savonius风轮组合使用是解决直线翼垂直轴风力机启动性不佳的主要手段。Savonius风轮与直线翼垂直轴风力机直径的比值(简称直径比),是影响组合型垂直轴风力机性能的重要因素。为了研究直径比对组合型垂直轴风力机气动特性的影响,对直径比分别为0.25,0.33,0.5的组合型风力机以及直线翼垂直轴风力机进行仿真计算。计算基于二维定常不可压缩流体的方程,采用标准模型,计算风速为12 m/s。计算包括直线翼垂直轴风力机及3种直径比的组合型风力机的动态输出力矩,同时,对动态输出力矩最优的组合型风力机与直线翼垂直轴风力机的静态启动力矩进行计算与分析。结果表明,组合型垂直轴风力机的最佳直径比为0.5,此时组合型风力机的最大风能利用系数相对于直线翼垂直轴风力机提高了7.1%,平均启动力矩提高了约2倍。     

自适应垂直轴风力机翅叶夹角优化的数值模拟

在传统的Savonius型风力机的基础上,提出了一种具有自适应功能的柔性叶片垂直轴风力机,该风力机在达到一定风速时,会通过减小叶片的迎风面积减小受力,当风速降低时,又可以增大叶片迎风面积,获取更多风能,同时该风力机具有阻力型风力机的优点——启动力矩大,在低风速下便可启动。文章对该风力机进行简化,运用计算流体动力学对风力机进行三维数值计算,分析不同翅叶夹角在不同尖速比下风力机的转矩特性,从而得到最佳夹角,并分别对不同夹角工况下的压力场进行分析。结果表明,在翅叶夹角为15°时,风轮的转矩特性最好。     

某小型风机提高风能利用率的研究

为了提高Savonius小型垂直式风力机的风能利用率,采用CFD方法研究了在来风方向增加导流板对该垂直式风力机风能利用率的影响。研究中建立了数值计算模型并使用Fluent软件进行仿真分析,比较了有无导流板、不同导流板长度、不同安装角度和不同安装位置情况下叶片周围的流场分布以及叶片对转轴产生的静态力矩。仿真结果表明,增加导流板能够显著提高该型风机叶片对转轴的静态力矩;同时,导流板长度和安装角度对此是重要的影响因素;而在一定范围内,不同导流板位置对静态力矩所带来的影响可以忽略。合理安装导流板可以使得该型风机的叶片静态力矩提高20%~40%,进而提高Savonius型风机的风能利用率。     

基于双盘面多流管模型的升力型风轮气动性能改善分析

在单个叶片旋转一周内存在两个方位角(0°~180°),其当地攻角为零,当地力矩为负值,当地功率输出为负值,降低了风轮整体性能。提出采用扰流来改善两个方位角叶片周围流场,进而提高风轮整体气动性能的新方法。以美国Sandia国家实验室旋转直径2 m的Φ型风轮为研究对象,基于双盘面多流管模型,分析扰流对风轮上盘面和下盘面的气动攻角和力矩以及整体气动性能的影响规律。计算结果证明:在扰流的影响下,0°方位角的气动攻角从0°提高到5°,叶素力矩从0.2 Nm提高到1.1 Nm,风轮的风能利用系数提高8%;在180°方位角增设扰流后,其气动特性提高幅度较0°方位角低,叶素力矩最大增幅为0.4 Nm,风轮的风能利用系数提高3%。经验证双盘面多流管模型计算结果与Sandia试验结果吻合良好,证明计算结果具有可参考性。