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。     

主动式凹槽-襟翼对垂直轴风力机气动性能影响研究

为提高垂直轴风力机气动效率,提出在翼型尾缘布置凹槽-襟翼结构,并通过主动控制实现凹槽-襟翼结构随风轮相位角变化的机制。基于该控制机制,以NACA0021翼型为研究对象,采用CFD方法进行数值模拟,研究主动式凹槽-襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明:与静态凹槽-襟翼结构相比,主动式凹槽-襟翼能有效提高垂直轴风力机风能利用率,同时降低最佳尖速比风轮转速,有利于提高运行稳定性,增大低尖速比下启动力矩以及降低气动噪声;当尖速比大于最佳尖速比时,主动式凹槽-襟翼对风力机气动性能提升效果逐渐减弱。     

尾缘主动式凹槽-襟翼垂直轴风力机气动性能研究

针对垂直轴风力机实际运行过程中叶片攻角随相位角周期性变化引发的气动性能降低问题,提出主动式凹槽-襟翼结构.以NACA0021翼型为研究对象,采用计算流体力学方法对不同控制策略下凹槽-襟翼结构进行了数值分析.结果 表明:与传统固定凹槽-襟翼相比,垂直轴风力机叶片尾缘布置主动式凹槽-襟翼时气动效率最高可提升36.78％;凹...     

气动弹片对垂直轴风力机性能影响研究

针对垂直轴风力机切向力峰值特性,提出一种具普适性的直线翼垂直轴风力机气动弹片运动控制策略。采用高精度CFD数值模拟方法,研究不同尖速比下气动弹片对垂直轴风力机气动性能的影响并分析了其流动机理。结果表明:气动弹片在高尖速比下可显著抑制流动分离并改善其动态失速特性,功率系数得到极大提升;切向力和转矩系数在气动弹片作用相位角范围内,均有一定提高,而在其它相位角内,风力机性能不受影响。     

吹吸联合射流对垂直轴风力机气动特性的影响研究

针对垂直轴风力机(VAWT)复杂流场特性,提出一种基于吹吸联合射流的主动流动控制方法,以抑制攻角周期性变化导致的动态失速现象。通过在翼型吸力面前缘和压力面尾缘同时进行吸气与吹气,采用高精度数值模拟研究其对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明：在中低叶尖速比下吹吸联合射流对功率系数的提升效果最为明显,并能显著减缓叶片动态失速现象,消除整机负转矩,进而减小叶片离心力以及增加风轮的稳定性与安全性。     

弯曲翼缝对垂直轴风力机气动性能的影响

通过改变椭圆长短轴比来构造不同曲率的翼缝,并研究了翼缝开口宽度和不同曲率对垂直轴风力机功率系数和启动特性的影响.结果表明:在低尖速比、大攻角下弯曲翼缝翼型使流体重新附着于吸力面,有效延缓了流动分离,使扭矩波动减小,且扭矩系数较原始翼型显著提高;与原始翼型相比,弯曲翼缝翼型的最佳尖速比较低,风力机运行环境更加稳定.     

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。     

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。     

垂直轴风力机叶轮气动性能计算

分别采用CFD计算软件数值模拟和一维流管模型法对垂直轴风力机气动性能进行计算。数值模拟采用Fluent软件,流场计算使用添加附面层的非结构网格,通过计算得到垂直轴风力机非定常流动特性。通过引入能量损失模型修正,建立新的垂直轴风力机一维流管气动性能计算方法。分别使用两种方法对叶轮的气动性能进行计算对比,结果表明:两种方法所得结果一致性较好,均具有一定的计算准确性。     

改进型格尼襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响

直线翼垂直轴风力机气动效率普遍较低,为此提出一种具有内侧、外侧、双侧格尼襟翼和凹槽格尼襟翼的翼型叶片以提升其气动性能。通过数值模拟研究6种新型叶片对垂直轴风力机风能利用率、力矩系数、流场结构和叶片切向力等气动性能的影响。结果表明：6种格尼襟翼叶片均可在一定尖速比（TSR）范围内提高风能利用率,外侧凹槽格尼襟翼最大风能利用率可提高17.92％;外侧格尼襟翼与双侧凹槽格尼襟翼相比原始叶片可有效降低风力机载荷波动并提高平均力矩系数;双侧dimple-GF可改善动态失速特性,明显抑制旋涡发展;单叶片切向力在上游区明显增大,有效提高了风力机气动性能。     

垂直轴风力机动态流场及其气动性能分析

垂直轴风力机气动性能研究是风力机设计、实验的重要部分,对其运动状态下的流场进行分析是观测垂直轴风力机性能重要环节.基于NACA0012对称翼型,建立二维几何模型并进行模拟计算.采用k-ωSST湍流模型及滑移网格技术,通过CFD软件数值计算得到达里厄型直叶片垂直轴风力机运行时周边流场分布情况.通过比较不同方位角下流场涡量以及升、阻力系数得出:在方位角为105°附近时,翼型下表面产生流动分离,并导致失速;下风区翼型运行的流场由于受到上风区尾流的影响,翼型周围没有产生明显的流动分离.     

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%。     

基于格尼襟翼的多机组垂直轴风力机性能增效研究

为探究格尼襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响,结合TSST湍流模型对直线翼垂直轴风力机展开数值模拟研究.结果表明:低尖速比下,格尼襟翼可显著提升垂直轴风力机的气动性能,但在高尖速比下会降低气动性能;垂直轴风力机组间流体速度随尖速比的增大而增加,此高速流体可有效提升机组风能利用系数;因上游风力机组间流体加速作用,下游风力机...     

叶片交叠布置垂直轴风力机气动性能研究

对麦克马斯特大学H型垂直轴风力机进行改进,交错布置其叶片,设计了一种叶片交叠布置垂直轴风力机。基于CFD方法计算典型工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率,结果表明,在相同几何尺寸和工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率系数高于麦克马斯特大学H型垂直轴风力机,在尖速比为1.6时,最大功率系数达到0.338。最后分析了风场的涡强和风速分布特性,得出叶片交叠布置对于减少尾流影响具有显著作用的结论。     

H型垂直轴风力机气动设计参数分析

采用多流管模型分析了H型垂直风力机展弦比和实度对其功率系数的影响,并对叶片旋转过程中攻角随尖速比的变化进行了分析。结果表明,在H型垂直风力机气动设计中展弦比为15时,其最大功率系数为展向无限长时的最大功率系数的88.0%;而实度在0.1~0.3时最大功率系数较大。     

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。     

基于正交试验凹槽-襟翼垂直轴风力机数值研究

为改善垂直轴风力机气动特性,对凹槽-襟翼开展研究。以NACA0021翼型为研究对象,采用正交试验设计对格尼襟翼高度、格尼襟翼位置及凹槽直径等参数进行组合,通过数值计算对垂直轴风力机气动性能与流场结构进行研究,分析凹槽-襟翼流动控制机理及对垂直轴风力机的作用效果。结果表明：格尼襟翼高度是影响垂直轴气动性能的主要因素,且襟翼高度为1.75%c、位置为1.50c及凹槽直径为1.50%c时效果最佳;同时,凹槽-襟翼通过改变尾缘库塔条件以加速翼型吸力面流体流动,从而改善流动分离,增加翼型表面压差,提高垂直轴风力机气动性能;凹槽-襟翼在低尖速比时对垂直轴风力机作用效果较明显,当尖速比为2.33时,凹槽-襟翼垂直轴风力机平均风能利用系数较原始翼型最大可提高35.82%。