一种垂直轴螺旋形风力叶轮附近的三维湍流特征

以FIN翼型作为基本翼型,设计了一种垂直轴螺旋形风力叶轮。运用商用CFD软件Fluent对叶轮附近的三维湍流场进行了非定常数值模拟,分析了基本截面在不同迎风角度下的受力特征,获得了在最大力矩系数工况下流场中的流速和压力系数分布,并对比分析了不同扭角时的力矩系数。研究结果表明:采用不同迎风角度基本截面上的合力方向有较大差别,整个叶片上的力构成了复杂的力系;在最大力矩条件下,随着叶轮高度的变化,叶轮内的气流扩散区逐渐增大,压力系数分布逐渐减小;在不同叶片扭角条件下,力矩系数在叶轮旋转过程中的波动特征不同,90°叶片扭角力矩波动幅度较小,运行相对稳定。     

垂直轴螺旋式风力叶轮的动态特性研究

采用风力叶轮直接驱动盘式发电机的方式,针对一种垂直轴螺旋式风力叶轮进行旋转状态下的动态特性试验研究,分别在自然风条件下和拖车试验条件下(来流速度为1～12 m/s),对试验装置的空载转速、空载电压进行测定,并对叶尖速比进行统计分析。研究结果表明:在自然风条件下,风速波动大,导致瞬态采集的风速与风轮转速不对应;在拖车试验条件下,来流速度相对稳定,且较易控制,风速与输出电压的对应关系较为明显。研究结果为相应的控制系统的设计与优化提供了参考。     

兆瓦级H型垂直轴风力发电机气动设计方案的数值模拟研究

为解决兆瓦级H型垂直轴风力发电机气动设计过程中实验和数值模拟方面耗费巨大的问题,基于升力线模拟方法完成了兆瓦级H型垂直轴风力发电机的气动设计,并利用该方法研究不同垂直轴风力机翼型设计方案对整机气动性能的影响,研究结果表明:基元翼型选用NACA0015和NACA0018对称翼型能够获得更高的风能利用率;整机叶片造型方案中,前掠翼型性能优于直叶片,前掠翼型方案的最大风能利用率随掠角增大而小幅上升,完整旋转周期内的风能利用率则随掠角增加先增大后减小,且在掠角3°时可取到整体最大风能利用率;后掠翼型性能差于直叶片,风能利用系数随掠角增大而减小;前掠与后掠组合翼型方案性能稍好于直叶片,但不如前掠叶片;不同方案之间存在性能差异的原因可能在于不同翼型的叶片分离涡在竖直方向上的旋涡脱落顺序方面存在差异,其中上部较早脱落的前掠方案有助于风能利用系数提升,下部较早脱落的后掠方案则会对风能利用系数产生负面影响。     

升力型垂直轴风力机翼型研究现状与展望

概括了国内外垂直轴升力型风力机翼型的发展现状,总结了目前应用最广泛的翼型及其设计参数对风力机性能的影响,提出了一些翼型研究所存在的问题,可为升力型垂直轴翼型的优化设计以及选型提供一定的参考。     

垂直轴潮流水轮机数值模拟研究

采用单向耦合欧拉-拉格朗日方法对垂直轴潮流水轮机( Vertical Axis Tidal Turbine)水动力性能和尾迹进行数值模拟研究,其中连续相采用雷诺平均Navier-Stocks方程(RANS)结合SST湍流模型求解,分散相颗粒的运动轨迹通过牛顿第二定律确定,叶片的尾迹通过颗粒的轨迹示踪.以文献[10]中在水槽中进行的垂直轴风力机试验为计算模型.将模拟结果与试验结果进行对比,叶片受力和叶片尾迹均与试验结果符合很好;对比前人的结果得到的叶片在不同位置角的瞬时受力规律也更加接近试验测得规律.     

风力助航的双帆干扰研究

选取双圆弧型风帆,以一艘巴拿马型的散货船作为目标船舶,确定风帆的主尺度。通过CFD仿真优化该帆的气动特性,选取优化后的模型进行风洞试验,对目标船舶加装优化后的双帆,根据CFD仿真结果,讨论来流方向和双帆帆距两个因素对双帆干扰的影响,总结出双帆之间的干扰特性,丰富了风帆助航领域的理论,具有一定的实用意义。     

小型垂直轴风机的数值模拟与试验对比研究

利用试验和数值模拟两种方法对一种新型阻力型垂直轴风机的输出功率进行研究。在数值模拟中采用k-ε和SST k-ω两种湍流模型计算了风机在不同风速和转速下的输出功率,并与试验值相比较,验证了数值计算结果的可靠性,分析了不同湍流模型对数值计算结果和风轮流场的影响。     

垂直轴风力机三维效应的数值模拟研究

文章针对二维和三维垂直轴风力机的数值模拟的差异,提出了风力机的三维效应是造成模拟差异的主要原因。运用计算流体力学方法对某直线翼垂直轴风力机模型进行了二维和三维的数值模研究。通过比对实验得到的风力机功率系数,发现三维模拟结果与实验值吻合。观察尖速比为1.5时二维和三维垂直轴风力机的速度型分布曲线、流向速度云图和涡量云图,研究了阻塞效应、叶梢涡、支撑结构和塔架对数值模拟结果的影响。研究发现:在二维的数值模拟中,风力机没有受阻塞效应影响,功率系数被严重高估;三维的数值模拟能够模拟出全部的流畅细节,受叶梢涡和支撑结构的影响,风力机的功率系数明显降低。     

基于CFD技术的垂直轴风力机关键气动问题研究

采用CFD软件对麦克马斯特大学垂直轴风力机进行数值模拟,结果表明:在不同叶尖速比下,风力机计算功率与风洞试验数据吻合良好;风轮中上行叶片尾流影响下行叶片气动特性,与单根叶片风力机模型相比,叶片扭矩峰值降低,峰值发生时间延迟;旋转叶片与平流流场中叶片相比,扭矩峰值有显著提升;叶片的附加质量效应有助于风力机降低支撑杆的设计强度,但增大了叶片与支撑杆的作用力;具有弯度翼型的风力机功率输出峰值相对于原始风力机功率输出高3.7%,且顺风向推力也低于原始风力机。     

带有挡流板的垂直轴风力发电机性能优化研究

为提高风力机的风能利用系数,并为垂直轴风力机优化设计提供方法,提出一种针对垂直轴风力发电机气动性能提升的结构改进方案,即在2台转向相反的H型垂直轴风力发电机的上游区域放置一块挡流板,研究挡流板各参数对2台垂直轴风力发电机能量获取的影响,结果表明:挡流板宽度对风能的获取影响最敏感,而挡流板到两台风力机轴之间的距离以及大于风轮高度的挡流板高度对垂直轴风力发电机风能的获取始终为正面影响,选择合适导流板参数下的最大风能利用系数为0.45,与无挡流板时相比提升了36%。     

并列式垂直轴水轮机尾流场的干扰特性研究

为研究并列式垂直轴水轮机的水动力性能及尾流干扰特性,进而指导阵列式水轮机的排列,文章对并列式垂直轴水轮机的水动力性能进行数值分析。首先针对单个垂直轴水轮机的水动力性能进行分析,基于数值分析结果与实验数据的对比,验证了所采用数值分析方法的准确性,继而对并列式垂直轴水轮机的性能进行了分析。分析结果表明:垂直轴水轮机的尾流具有明显的非对称现象,且尾流之间的干扰对尾流场的速度影响较大;由于水轮机尾流压力分布不均,两个水轮机尾流之间会产生压力差,进而导致尾涡向低压力区域偏移,整体表现为向迎流侧偏移;尾流继续传播扩散,最后与流场混合;在并列排布垂直轴水轮机时,应尽量使相邻水轮机处于顺流侧并反向旋转,当水轮机处于相邻水轮机的迎流侧时,应注意加大水轮机之间的间距。     

挡流板对垂直轴风力发电机性能影响规律研究

合理开发利用风能是缓解当前化石能源危机的一个重要途径,为了提高风机的风能利用率,并为垂直轴风力机优化设计提供方法,提出了一种针对垂直轴风力发电机气动性能提升的结构改进方案,即将2台H型垂直轴风力发电机设置为反向旋转,并在上游区域设置一块挡流板。通过研究挡流板的设置参数对2台垂直轴风力发电机获取能量的影响,发现能量获取受到挡流板宽度影响最大,并且其风能利用效率随挡流板宽度增加呈现出先增后减的趋势,而随着两台垂直轴风力发电机轴之间的距离与风轮直径比l/d增加,风机可获得的最大风能利用率逐渐下降。选择合适导流板参数下的最大风能利用率为0.45,与没有挡流板时相比提升了36%。     

H型垂直轴风力发电机气动分析方法及运行规律研究

以计算流体力学为基础,对H型垂直轴风力发电机采用二维数值计算与三维数值计算并通过实验测试验证,分析垂直轴风力发电机风轮的流场规律,比较二维数值计算方法和三维数值计算方法的差异,并研究垂直轴风力发电机叶片弦长、风轮半径以及风轮叶片数量对风轮能量获取的影响。结果表明:垂直轴风力发电机3个叶片提供的转矩呈明显的周期性,风轮内部流场复杂,伴随着漩涡的脱落与重新黏附,流过风轮区域后,风速降低,风能被大量吸收;数值计算结果虽与实验测试结果存在差异,但二维数值模拟可反映流场一般规律且成本低,三维数值模拟可精确模拟流场特性,且与实验结果匹配度高但成本也高;叶片弦长、风轮半径及叶片数量对风轮的能量获取有重要影响。     

导叶式升力型垂直轴风力机的数值研究

分析传统H型Darrieus风力机整体气动特性低的原因,从改善风力机极小攻角处极差气动特性出发,提出一种在极小攻角处添加导叶的导叶式升力型垂直轴风力机。采用非定常RNG湍流模型和滑移网格技术,对导叶式升力型垂直轴风力机的空气动力场进行二维数值模拟。比较分析0°方位角导叶对叶轮流场、叶片表面压差系数及叶片力矩的影响。研究结果表明,导叶改善了叶片表面负压差区,使叶片表面压差系数提高了56.2%,叶轮转矩增加了25.4%,有效地提高了风力机整体气动性能。     

有弯度翼型垂直轴风力机的数值模拟研究

应用计算流体动力学有限体积法SIMPLE算法,配合SST k-ω湍流模型和滑动网格技术模拟分析了有弯度翼型4叶片垂直轴风力机的气动特性,以其作为有弯度翼型垂直轴风力机设计的参考依据。研究结果发现,在入口流速为10 m/s,尖速比为1.6时,该种风力机单个叶片的瞬时力矩系数为-0.03～0.18,并且在一个转动周期内正的瞬时力矩系数历时较长;整个风轮的的力矩系数在尖速比为1.6左右时达到最大值,功率系数在尖速比为1.7左右时达到最大值。     

柔性叶片风力提水装置叶轮气动特性研究

提出了一种用于风力提水的柔性叶片获能装置,制作了柔性叶片叶轮样机,搭建了该样机的风洞外特性测试及叶片表面压力场测试的试验平台。研究结果表明:1柔性叶片叶轮在风速为3m/s时即可启动运行,5~10 m/s时有良好的功率输出特性,当风速大于10 m/s时叶片会自动卸载,保证动力平稳输出;2柔性叶片可以根据风速的变化相应改变受风面形状,在4~10 m/s风速下,叶片弦向弯曲变形,增加风能捕获量和转化量,当风速大于10 m/s时,叶片随风速大幅变形,受风面积减小,改善了叶片的受力状态,保证风力机安全稳定的运转。柔性叶片叶轮可在较大风速范围内平稳运行,在偏远的农村牧区具有较好的应用前景。     

基于φ型垂直轴风力机的风力致热装置设计

以三叶片、抛物线形状叶片、NACA0015翼型的φ型垂直轴风力机为研究对象,选用搅拌液体风力致热装置,设计出垂直轴风力机设计流程图和一种在8m/s风速时额定功率为2kW的风力致热系统,以建立的数学模型,通过力矩和功率的匹配计算,确定搅拌器直径等相关参数,依据最优匹配数学模型计算出搅拌液体致热装置其它的参数。该风力致热装置简单可靠、致热效率高,能为工农业生产和家庭供热采暖提供中、低品味的热能,并为风能的应用和发展拓展新思路。     

基于复合形法的垂直轴风力机翼型优化设计

针对低速航空翼型不完全适合垂直轴风力机的问题,采用复合形法对小型垂直轴风力机常用的NACA0015翼型进行了优化设计。在复合形法优化设计过程中,选取翼型的弯度和厚度作为设计变量,以翼型最大切向力系数Ctmax和失速攻角αs的加权和作为目标函数。将XFOIL程序与Viterna-Corrignan失速后模型相结合,计算出优化前后翼型气动性能参数。结果表明,与NACAOO15翼型相比,新翼型的气动性能有了较大提高,最大升力系数增大了33.5%,失速攻角提高了3°,最大切向力系数增大了43.5%。