叶片重叠比对Savonius风力机性能的影响

Savonius风力机两个叶片之间的重叠比OL (Overlap ratio)是影响其性能的最重要参数之一.为了探明OL对风力机静态起动特性与动态功率特性的影响,制作了一台可调叶片OL的Savonius风力机,将其OL设置为0,0.2和0.5三种模式,进行了风洞试验.结果表明,在3种模式中,叶片重叠比PL=0.2的风力机的静态与动态性能最佳.     

Savonius风力机叶片重叠比的风洞实验研究

为了探明其最佳重叠比,首先对具有3种典型重叠比(OL=0,02和0.5)的Savonius风力机进行了风洞实验,确认了OL=0.2的风力机具有较佳的性能.之后将OL设定在0.15～0.30之间,以0.025为间隔细分为7个模式,每一模式中又分为带有中心转轴和无转轴两种类型,分别进行了详细的风洞实验,对叶片重叠比以及转轴轴径对Savonius风力机的静态起动特性和动态功率输出特性的影响进行了研究.     

小型Savonius风机的创新设计与仿真分析

Savonius风机是一种典型的垂直轴风力机。针对传统风机的发电机部分采用转子、定子一动一静的设计布局,提出了一种新型的发电机结构,从而提高风机发电效率。通过有限元分析软件ANSYS／CFX,对风力机模型进行流体分析,计算Savonius风力机的效率,验证本设计分析方法的正确性。     

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。     

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。     

实度对垂直轴风力机性能影响的风洞试验

实度是影响垂直轴风力机性能的一个重要参数。采用风洞试验的方法对小型垂直轴风力机风轮实度进行了研究,试验主要以叶片个数和风力机半径这两个参数为研究对象,共设置了6种组合,得到5种不同实度。测试了不同实度下垂直轴风力机在启动后的低转速阶段的力矩和功率特性,分析了实度对垂直轴风力机输出性能的影响。分析结果表明,在风力机半径相同的情况下,实度最小的风力机的最大力矩系数和功率系数最大;实度相同时,风力机获得最大力矩系数的尖速比基本相同,实度越小,获得最大力矩系数的时间越晚。     

基于部分结构参数的螺旋形Savonius风轮性能优化

90°扭角螺旋形Savonius风轮模拟结果与试验结果的对比,证明κ-ε模型具有较高精度。采用该模型对螺旋形Savonius风轮进行数值计算,深析螺旋角度θ、隔板数N、螺距P3个结构参数对风能利用系数的影响规律,并与传统直叶片Savonius风轮进行静力矩对比。结果表明:θ=180°,N=6和P=6.0的风轮在叶尖速比为0.75时达0.21;螺旋形Savonius风轮静力矩系数均大于0,比传统直叶片风轮具有更良好的启动性能。     

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。     

垂直轴风机叶片覆冰数值模拟及其气动性能研究

研究升力型垂直轴风机叶片的覆冰特性,为风机的防冰、除冰系统研发提供帮助。文章对垂直轴风机叶片的雾凇覆冰物理过程进行了分析,建立了风机叶片覆冰的数值计算模型。通过SST k-ω湍流模型求解旋转叶片周围的空气流场,利用拉格朗日法获得过冷却水滴的运动轨迹及碰撞情况,结合覆冰时间推进法得到叶片表面的覆冰形貌,并通过流场计算分析覆冰对风机气动性能的影响。利用该计算模型研究了不同叶片翼型、叶片数量以及叶尖速比λ对垂直轴风机叶片覆冰的影响。结果表明:当风机的λ增大时,风机叶片表面的覆冰更多的向叶片前缘尖端区域集中,叶片后缘的覆冰量减少;在同一覆冰条件下,不同叶片翼型、叶片数量和λ对垂直轴风机的整体覆冰量、单个叶片的覆冰量以及叶片表面的最大覆冰厚度均产生重要影响;不同叶片翼型、叶片数量和λ的风机的静态扭矩特性受覆冰影响差异大。     

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。     

S型风力机气动设计

概述S型风力机的工作原理以及优缺点。系统分析了影响S型风轮气动性能的外形参数,总结出S型风力机达到最优气动性能时的外形参数。以最优外形参数为基础设计完成额定功率为300W的S型风力机的气动外形,所得结果可以同类型风力机的设计提供理论指导。     

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...     

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。     

攻角对透平叶栅气动性能影响的研究

采用叶栅吹风试验与数值模拟相结合的方法,研究了攻角变化对具有较大前缘半径和进口楔角的透平叶栅气动性能的影响,试验测量在出口马赫数为0.8、攻角-61.0°-＋4.0°内进行,对应的雷诺数为6.0×105.在试验验证数值方法可靠性的基础上,对叶栅流动损失进行了数值研究,分析了攻角变化对试验叶栅型面损失中吸力面与压力面边界层损失、尾迹损失和端部次流的影响特性.结果表明：当攻角从＋4.0°变化到-41.0°时,叶片表面没有发生流动分离,出口截面的总压损失系数变化幅度不超过0.21%;在负攻角很大（-61.0°）时,压力面边界层发生流动分离,型面损失急剧增大;具有较大前缘半径和进口楔角的试验用叶栅表现出良好的变攻角气动性能.     

叶片附着物对直线翼垂直轴风力机性能的影响

采用黏土作为附着物模拟了直线翼垂直轴风力机叶片表面前缘的结冰情况,并通过风洞试验测试分析了附着物对自行设计制作的直线翼垂直轴风力机模型转速和功率特性的影响.结果表明:附着物的存在降低了风力机的稳定转数、减少了输出功率,且随着附着质量的增加和风速的增大,影响效果越明显.通过将同等质量的黏土附着在叶表和嵌入叶片内的对比试验表明:在本试验条件下,附着物质量轻时,附着质量与翼型变化对风力机性能的影响基本为同等程度;随着附着物质量的增加,附着质量对风力机性能的影响占居主导地位.     

小型变桨距风力机的气动优化设计

基于叶素动量理论分析了小型风力机的气动性能分析模型,并提出了叶片的气动优化设计方法.结合叶片制造和应用中的实际要求,设计了10 kW小型变桨距风力机叶片的气动外形.计算结果表明,设计叶片具有良好的气动性能,验证了该设计方法有效实用.     

Multiple streamtube approximation of flow‐induced forces on a Savonius wind turbine

This paper develops a new approximate model to predict the pressure and momentum forces on a Savonius‐style vertical axis wind turbine. Flow distributions through and around the turbine are examined for analytical predictions of the torque and power output, at all rotor angles. A new approximate streamtube method is developed to predict the momentum, lift, and drag forces on the rotor surfaces by the air stream on the basis of an integral force balance on the turbine blades. Unlike other past analytical methods, the technique predicts both momentum and pressure forces imposed on the rotor surface during operation. The calculated results are validated against experimental data and numerical predictions from computational fluid dynamics. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

覆冰对风力机专用翼型气动性能影响的数值研究

利用商用CFD软件和S-A湍流模型,对风力机常用的NREL S809翼型在不同覆冰形态、覆冰厚度下的静态流场和动态流场进行了数值计算,得到了Re=1×106时各种覆冰情况下该翼型的气动性能,并研究了不同的覆冰形态对风力机翼型静态、动态失速特性的影响.结果表明：向吸力面生长的覆冰形态会造成覆冰层后的分离涡,随着攻角的增加分离涡向后缘生长,造成升力系数的较大下降,阻力系数增加;沿弦向生长的覆冰对尾缘分离涡的生成影响较小;在动态失速情况下,翼型周围流场比较复杂,覆冰形态对翼型升力系统的影响规律也较复杂;从静态流场特性分析,覆冰破坏了翼型的流线从而直接影响了翼型的气动性能;从动态流场特性分析,覆冰改变了翼型动态升力系数曲线的斜率从而影响到风力机的气动弹性稳定性.     

Impact of Stagger Angle Nonuniformity on Turbine Aerodynamic Performance

The assembling error may lead to variation in stagger angles, which would affect the aerodynamic performance of the turbine. To investigate this underlying effect, two parallel numerical experiments on two turbines with the same profile, but uniform and nonuniform vane stagger angle respectively, were conducted in both steady and un- steady methods. The results indicate that certain changes in the detailed flow field of the turbine occur when the stagger angles are nonuniform, further, the blade loading distribution of the vane and rotor become markedly dif- ferent from that in uniform vane stagger angle situation. Then these consequences caused by nonuniformity men- tioned above enhance the unsteadiness of the flow, finally, the aerodynamic performance changes dramatically. It also shows that, compared with steady simulation, the unsteady numerical simulation is necessary in this investigation