垂直轴风力机二维非定常流场数值模拟

应用FLUENT软件求解二维非定常不可压N-S方程和SST κ-ω湍流模型,采用PISO速度压力修正算法,结合滑动网格技术,模拟垂直轴风力机(VAWT)的流场特性.获得并分析了不同时刻的速度场、压力场分布,风轮叶片受力和转矩的变化规律.结果表明绕流场模拟能有效地反应风力机旋转过程的流场状况,可为垂直轴风力机的工程设计提供理论依据.     

变攻角垂直轴风力机三维定常流场数值模拟

应用Fluent软件求解三维定常不可压N-S方程,采用k-ε湍流模型和SIMPLE算法,结合MRF复合坐标系技术,模拟垂直轴风力机（VAWT）的流场特性.获得并分析了不同攻角下的速度场、压力场分布,得到风轮叶片压力分布和转矩值.结果表明绕流场模拟能有效地反应风力机不同攻角下的流场状况,可为垂直轴风力机的工程设计提供理论依据.     

具有组合式叶片的导流型垂直轴风力机气动性能的数值研究

在分析传统垂直轴风力机低效率原因的基础上阐述导流型垂直轴风力机的结构优势,并提出一种带组合式叶片的导流型垂直轴风力机,同时数值研究该垂直轴风力机的气动特性.这种垂直轴风力机由导风轮与风轮构成,其中导流叶片分别由进口径向段、出口导流段,以及与两者相切的中间圆弧段等三段组合而成,风叶是由进口圆弧段及与之相切的出口直线段组合而成.导流叶片不仅可以有效地降低因来流对风叶吸力面的直接冲击而造成的阻力转矩,而且还有助于增强来流对风叶压力面的有效冲击.这两方面均有助于使该种风力机风轮的旋转转矩得到显著增加.研究结果表明:这种带有组合式叶片导流型垂直轴风力机,具有工作范围宽、最佳尖速比大、风能利用率高等特点,其气动性能在数值上已明显超过常规垂直轴风力机的一般水平.在此基础上,将机翼型叶片引入导流型垂直轴风力机中,并数值论证了即使在这种变攻角、剧烈分离的垂直轴风力机的内部流场中,机翼型叶片对整个风力机性能的提高也能起到一定的作用.这种带有组合式叶片的导流型垂直轴风力机不仅具有较好的气动性能,而且具有简单的二维外形结构便于加工,具有推广使用的潜力.     

基于滑移网格的小型垂直轴风力机气动性能的数值模拟

建立2D小型垂直轴风机模型,采用滑移网格技术,选用k-ε RNG湍流模型、SIMPLE算法,对模型的气动性能进行了非定常数值模拟研究。分析了垂直轴风机在不同工作时刻的流场情况,研究了速度场、涡量的分布以及风力机总转矩的变化规律。研究结果表明,风力机叶片周围速度存在明显梯度,计算区域在不同时刻的速度分布呈现较大差异。在旋转区域涡量较大,随着远离旋转区域,涡量值迅速减少。垂直轴风力机旋转过程中,风力机的总转矩呈现正负交替变化。     

分布式能源用新型Senegal式垂直轴风力机尾流分析

针对现有的Jensen尾流模型分析水平轴风力机(HAWTs)的方法,对采用经典Jensen尾流模型时恒定的风速亏损和尾流衰减系数进行改进,提出基于改进型Jensen尾流模型对新型Senegal式垂直轴风力机(VAWTs)尾流分析的新方法。结合流场分析对该新型风力机进行尾流数值模拟,得出了基于改进的Jensen尾流模型的尾流参数二维分布的变化规律。由于尾流分布具有三维性,二维尾流分布不能完全反映尾流特性,因此还得到了尾流参数三维分布。全面地分析了单台VAWT的尾流特性,不仅为进一步的多台VAWTs尾流分析和风电场风力机排布研究打好基础,而且为该类Senegal式VAWT的尾流研究提供了借鉴和参考。     

不同翼型对垂直轴风力机性能的影响

采用移动网格技术对小型垂直轴风轮湍流瞬态流场进行了数值计算,得到了不同厚度的四种NACA00XX系列对称翼型风轮的力矩系数、风轮功率和风能利用系数及其变化规律,详细分析了翼型厚度对小型H型垂直轴风力机风轮气动性能的影响,研究表明翼型厚度对风力机的各气动参数有较大的影响,在同一系列翼型中存在一最佳翼型厚度。     

分布式能源用垂直轴风力机的结构优化设计

基于计算流体动力学(CFD)平台,以k-ε模型求解N-S方程的方式,分析了垂直轴风力机(VAWT)的三维结构,对分布式能源用小型垂直轴风力机的特性进行了建模与仿真计算,并通过结构对比分析,对结构进行了优化设计。在将现有叶片中的直平板改为流线型设计结构后,大大提高了该垂直轴风力机的风能利用系数。而在叶片中间加入小挡板后对提高垂直轴风力机的风能利用不明显。此外,对比验证了三种叶片结构风轮的性能,确定了该类垂直轴风力机最佳叶片数。为该类垂直轴风力机的设计与优化提供了借鉴和参考。     

垂直轴风力机二维流场特性及变桨规律研究

为了研究H型垂直轴风力机的变桨规律，提高其获能效率，对垂直轴风力机叶片翼型进行空气动力学性能分析，选出升阻比较高的翼型。对优选出的翼型进行二维建模，采用CFD (Computational Fluid Dynamics)方法进行二维流场仿真模拟，得到不同尖速比叶片周围流场的变化规律，据此设计出H型垂直轴风力机叶片并进行三维建模。分析叶片旋转一周所受力矩的变化，即某一方位角不同桨距角下力矩的变化趋势，得出垂直轴风力机旋转一周的变桨规律。该研究对H型垂直轴风力机的开发和工程应用具有一定的参考价值。     

不同错列布置下垂直轴风力机尾流特性

为研究垂直轴风力机错列排布时下游风力机横向偏移距离对尾流特性的影响,获得优化的排布方式,以某H型垂直轴风力机为研究对象,建立了三维计算模型进行仿真模拟。基于单风力机模拟结果,研究了错列排布中不同偏移距离对风力机功率系数及尾流特性的影响。结果表明：当尖速比由0.5增加至1.5的过程中,风力机尾流逐渐接近于钝体尾流,下游速度恢复距离减小;风力机阵列中,错列布置可有效缓解上游风力机尾流对下游风力机的不利影响;随着横向距离的增大,下游风力机整体尾流速度分布逐渐与上游风力机的下游气流速度分布相一致,当横向间距为1倍,2倍风轮直径时,下游风力机功率系数相比单列排布提升了16.5%,37.3%。     

直叶片垂直轴风机气动设计参数分析

采用滑移网格技术对直叶片垂直轴风机风轮进行二维非定常数值模拟,获得在不同风轮设计参数下风轮的转矩.通过以风轮功率最大为性能指标,选取对风轮功率有直接影响的叶片安装半径、叶片弦长、叶片数和叶片高度四个主要因素作为自变量,采用正交试验优化设计方法对风轮参数进行优化,对正交试验结果进行极差分析.结果表明直叶片垂直轴风机风轮空气动力性能最优的一组风轮参数为R=1.05m,N=5,C=0.14m,H=1.4m.所得到的最优解与一般优化设计所得的结果类似,能够达到对直叶片垂直轴风机风轮进行优化的目的.     

垂直轴风力发电机结构研究进展

与水平轴风力发电机相比,垂直轴风力发电机具有结构对称、风能利用率高、噪音低等优点,有着较为广阔的市场前景。首先对垂直轴与水平轴风力机作了比较,分析了垂直轴风力发电机的特点,简要地概述了垂直轴风力机的先后发展,分别介绍了常见的萨渥纽斯阻力型、达里厄型及其变形结构等垂直轴风力机的结构,阐述了国内外学者对垂直轴风力机结构的研究现状,最后简要地分析了设计垂直轴风力机所面临的主要问题。     

Investigation on aerodynamics and active flow control of a vertical axis wind turbine with flapped airfoil

A 2D unsteady numerical simulation with dynamic and sliding meshing techniques was conducted to solve the flow around a threeblade Vertical axis wind turbine (VAWT). The circular wakes, strip-like wakes and the shedding vortex structures interact with each other result in an extremely unstable performance. An airfoil with a trailing edge flap, based on the NACA0012 airfoil, has been designed for VAWT to improve flow field around the turbine. Strategy of flap control is applied to regulate the flap angle. The results show that the flapped airfoil has an positive effect on damping trailing edge wake separation, deferring dynamic stall and reducing the oscillating amplitude. The circular wake vortices change into strip vortices during the pitch-up interval of the airfoils. Examination of the flow details around the rotating airfoil indicates that flap control improves the dynamic stall by diminishing the trend of flow separation. Airfoil stall separation has been suppressed since the range of nominal angle of attack is narrowed down by an oscillating flap. Vortices with large intensity over rotational region are reduced by 90 %. The lift coefficient hysteresis loop of flapped airfoil acts as an O type, which represents a more stable unsteady performance. With flap control, the peak of power coefficient has increased by 10 % relative to the full blade VAWT. Obviously, the proposed flapped airfoil design combined with the active flow control significantly has shown the potential to eliminate dynamic stall and improve the aerodynamic performance and operation stability of VAWT.     

基于滑移网格的H型垂直轴动态气动特性分析

垂直轴风力机的气动特性非常复杂,采用工程气动模型会有较大误差,因而本文针对NACA0012翼型,基于滑移网格技术,并选用Spalart-Allmaras方程湍流模型和基于压力的Simple算法对H行垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算,整个计算结果通过了严格的网格数和计算区域验证。同时,本文通过对流场的分析,获得了风力机的动态失速与升阻力系数等气动特性,计算结果对H轴风力机的设计与开发具有一定理论价值。     

水平轴风机失速状态下的数值分析

以变桨水平轴风机叶轮为研究对象,针对最大阵风停机顺桨状态下,利用FLUENT计算流体软件对风机的三维流场进行数值模拟分析,再对模拟的流场结果进行保存输出到有限元软件AN-SYS中作为结构计算的初始条件,进而进行结构计算。通过对风机叶轮进行流固分析,为风机的设计提供有利的参考,对风机叶轮的设计研究提供数值模拟依据。这种方法也可以应用到分析该风机在运动时候的状态,根据数值模拟结果进行优化设计能够改进风机的使用效率,这对节约能源、提高发电机的经济效益具有重要意义。     

小型垂直轴风力发电机的气动噪声数值模拟与试验验证

为了降低小型垂直轴风力发电机的气动噪声,对其噪声产生机理进行了分析。首先,在瞬态计算时运用大涡模拟(LES)模型对在一定工况下的三维风轮周围的流场进行分析;其次,在声学计算时运用FW-H方程对风轮产生的气动噪声进行分析并得出频谱;最后,通过实例验证了该方法能有效预测其气动噪声。结果表明:小型垂直轴风力发电机的气动噪声主要是涡流噪声;监测点的噪声值随着离风轮旋转轴半径的增加而减小,且在垂直于叶轮旋转轴的平面上具有指向性。小型垂直轴风力发电机的气动噪声分析为其进一步低噪声优化提供了依据。     

CFD 数值模拟在风机叶片设计中的应用

以12．MW水平轴风力机为例,基于Willson理论对其叶片进行设计,再采用三次样条插值函数对设计所得叶片参数进行修正。针对修正前后两组叶片数据分别建模,采用CFD技术分别对两组模型进行数值模拟,然后从风轮流场压力和风速两方面对数值模拟结果进行对比分析。通过对修正前后模型叶轮的功率、压力、流场特性进行比较,得出修正后叶轮模型气动性能优于原始叶轮模型的结论。     

垂直轴风力机流场模拟计算网格划分研究

垂直轴风力机是一种全风向工作、结构简单可靠的风力发电能量转换机械,用CFD软件对其流场进行分析、研究,最为关键的是对数值模型进行网格划分。针对垂直轴风力机流场的特点,结合实践运用情况,给出了其网格划分的基本方法及注意要点。     

PIV measurements over a double bladed Darrieus-type vertical axis wind turbine: A validation benchmark

Vertical axis wind turbines (VAWTs) are very attractive for in-home power generation since they can be adopted even at low wind speeds and highly variable wind direction. Even if significant experimental research activity has been carried out to improve VAWTs performance, the ability to accurately reproduce flow field characteristics around turbine blades by CFD (computational fluid dynamics) techniques represents a powerful approach to further enhance wind turbines performance. Thanks to CFD, in fact, it is possible to reproduce flow characteristics with a detail level impossible to achieve by experiments. Nevertheless, in order to appropriately analyze the flow structure by CFD application, an accurate validation is essential, and high-quality measurements of some main flow characteristics are required. In recent publications the authors investigated, both experimentally and numerically, the performance of an innovative double bladed Darrieus-type VAWT, with the aim to define an optimal configuration also focusing on self-starting ability of the prototype by employing CFD technique. Nevertheless, comparison between experiments and numerical results was made only in terms of power and torque coefficients. To overcome such limitation, in this paper the authors propose an experimental benchmark case for CFD results validation, describing detailed flow field in correspondence of one pair of blades of the innovative Darrieus-type VAWT in static conditions. Measurements were performed employing Particle Image Velocimetry (PIV) technique on a scaled model of the turbine blades realized by 3D printing. An uncertainty analysis was also performed which showed a high accuracy of the obtained experimental results. The measurements of the main flow characteristics (bi-dimensional velocity components) were then used for a test case CFD validation of two different turbulence models.