翼型型线改变的三叶片H型垂直轴风力机气动特性研究

为改善H型垂直轴风力机(VAWT)的气动特性,文章研究了6种翼型型线改变后的翼型对H型VAWT气动特性的影响,并进行了数值模拟计算和风洞试验。风洞试验验证了模拟计算的结果,证明了型线改变后的风力机对提高气动性有积极的作用。试验结果表明:1波浪型风机和Dimple型风机均可在一定叶尖速比(λ)范围内提高风力机的风能利用率,其中1波浪型风力机在低λ下最高可提高风能利用率13.76%,其单叶片切向力在下游区明显增大;Dimple型风力机在高λ下最高可提高风能利用率14.6%,其单叶片切向力在上游区明显增大。两种改型后的翼型均可改善流动分离,并提高VAWT的气动性能。     

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。     

定常吸气对垂直轴风力机性能影响研究

定常吸气装置可有效提高垂直轴风力机气动性能,改善风轮流场结构及翼型动态失速特性.基于CFD方法对垂直轴风力机进行数值模拟,研究不同叶尖速比(TSR)下定常吸气对风力机气动及流场特性的影响,对比分析原始风力机及定常吸气作用下的风能利用率、整机转矩系数及涡量分布.结果表明:不同尖速比下定常吸气均可显著提高风力机气动性能,减...     

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。     

叶片数及弦长对升力型垂直轴风力机的影响

文章基于非对称翼型NACA4415,以功率系数为依据,以CFD仿真为手段,研究了在不同尖速比下叶片数与叶片弦长对升力型垂直轴风力机气动性能的影响,以及不同尖速比和叶轮实度不同时,垂直轴风力机功率系数的变化。研究结果显示,该类升力型垂直轴风力机叶轮实度取0.25~0.45,尖速比λ取2.5~3.4时,具有较高的功率系数。流场分析表明,当叶片弦长与叶片数的变化对流场的扰动能力小于垂直轴风力机从流场中获取风能的能力时,叶片弦长与叶片数的变化会增加垂直轴风力机的功率系数;反之,垂直轴风力机的功率系数降低。该研究为此类20 k W垂直轴风力机的设计与选型提供依据。     

垂直轴风力机叶片变桨距运转模式研究

针对垂直轴风力机自启动性能差和风能利用率低的问题,提出一种新型自动变桨距垂直轴风力机方案。结合垂直轴风力机叶片攻角变化及翼型气动力特性,制定了一种最优叶片桨距角变化模式。根据叶素理论,计算得到了采用该变桨距模式在低叶尖速比和高叶尖速比时的叶轮扭矩系数,结果表明,采用该变桨距模式可有效增大垂直轴风力机的启动力矩以及提高其风能利用系数,为进一步开发自动变桨距垂直轴风力机奠定了研究基础。     

叶片安装角对H型垂直轴风力机气动性能的影响研究

通过对直叶片垂直轴风力机在不同翼型、尖速比和实度组合状态下改变其叶片安装角得到的模型进行流场计算,总结以上3种情形下不同安装角对直叶片垂直轴风力机气动性能的影响:在以上3种情形下,负安装角对其气动性能不利;最佳气动性能安装角为1°~3°;安装角对其性能的影响相对有限(NACA0015,尖速比λ=1.5时,功率系数CP值从31.3%增加到34.5%),翼型厚度对气动性能的影响较大(21%厚度翼型,其C_P值约为40%),欲得到更好的CP值,最好通过改变翼型或增加翼型厚度来实现;当叶片翼型的相对厚度较小或工况为高尖速比下时,有必要通过改变安装角改善风力机的性能。     

相同叶尖速比不同转速的垂直轴风力机气动性能分析

在不考虑连杆、转轴及叶尖损失的简化模型基础上,利用Fluent软件采用雷诺平均Navier-Stokes方程与k-ωSST湍流模型对直叶片垂直轴风力机进行了数值模拟.对比了相同叶尖速比λ=4,叶轮半径r分别为1 m和2 m的垂直轴风力机的气动性能.结果表明,在来流风速V∞和叶尖速比λ相同的情况下,不同半径的垂直轴风力机具有十分相似的翼型表面压力分布,对应位置处的升、阻力系数相差不大.     

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。     

基于多目标遗传算法的垂直轴风力机专用翼型优化设计

为提升垂直轴风力机翼型综合气动性能,建立针对多运行工况的翼型优化设计方法。采用CST参数化方法表征翼型几何外形,通过优化的拉丁超立方抽样方法进行空间采样,利用CFD方法计算翼型气动力,并建立径向基函数神经网络代理模型,以翼型小攻角下升力和失速攻角下升阻比最优为设计目标,采用多目标遗传算法在代理模型上进行寻优,获得适用于垂直轴风力机的专用翼型以提高其在不同尖速比下的旋转力矩。对风力机常用翼型NACA0018进行优化,结果表明：以翼型失速攻角和最大升阻比攻角为优化目标,不仅提高了单翼型的升力系数与升阻比,而且将优化翼型应用于垂直轴风力机时还可提升使整机力矩系数。     

格尼襟翼垂直轴风力机风场研究

为研究垂直轴风力机风场中机组气动性能受格尼襟翼的影响,采用TSST湍流模型对直线翼垂直轴风力机进行数值模拟研究.结果表明:风场上游风力机组尖速比越大,机组间流体加速效果越显著,使风力机组气动性能高于单风力机;在中低尖速比时,格尼襟翼可有效提升单个风力机气动效率,在尖速比较高时,提升效果并不明显;在风力机组中安装格尼襟翼...     

不同扩散体对建筑增强型垂直轴风力机气动性能的影响

为研究不同建筑扩散体对建筑增强型直线翼垂直轴风力机的气动性能与流场结构的影响,采用CFD数值模拟的方法,以NACA0021为叶片翼型的多叶片建筑增强型直线翼垂直轴风力机为对象,研究其在不同建筑扩散体及不同尖速比下的气动性能。结果表明:建筑增强型直线翼垂直轴风力机存在最佳尖速比;不同建筑扩散体对提高直线翼垂直轴风力机风能利用率影响较大,在所选取的8种建筑扩散体模型中,梯形建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机在尖速比为4.62时标准化风能利用率可达1.560 7,而A1翼型式建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机前后压差较小,风能难以利用。     

新型变桨立轴风力机涡效应分析

该文旨在通过变桨来改善升力型立轴风力机叶片气动特性,提高风力机最大运行效率。针对设计尖速比下风能利用系数较低的问题,提出减小叶片小攻角范围,增大叶片大攻角工作范围,以重点改善叶片低性能区域的气动特性为出发点,提高风能利用系数新变桨思路。以采用NACA0012翼型、2 m高和2 m旋转直径的两叶片H型风力机为研究对象,从涡理论来分析和比较在最佳尖速比为5的条件下,附着涡、尾随涡、脱体涡和桨距角对攻角、切向力和功率输出的影响规律。研究结果表明:变桨后,叶片的攻角、切向力和输出功率在原最大值两侧均有明显提高,拓宽了叶片高性能的工作区域;涡系中脱体涡对叶片气动特性影响最大,其中在上盘面影响较小,在下盘面影响较大;变桨前后涡系对上盘面的差异较小,对下盘面的影响差异较明显;变桨后,下盘面的叶片的涡尾迹弯曲程度在加大。     

导流式翼缝对直线翼垂直轴风力机气动性能的影响

为减小流体从吸力面流至压力面的速度损失,基于小间距翼缝有助于减小气动损失的设计原理,针对NACA0021翼型,提出双侧导流式、内导流式和外导流式3种新型翼缝形式。通过数值模拟方法,分析不同翼缝对垂直轴风力机气动性能和流场结构的影响,并将其性能参数与原始翼型和非圆弧翼缝翼型进行对比。结果表明:内导流式翼缝风力机气动性能优于原始风力机,最佳尖速比减小8.06%,改善了叶片周围和整机流场结构,增强了风力机运行稳定性;在低尖速比下,双侧导流式翼缝风力机气动性能较高,而高尖速比时气动性能低于原始风力机;下游区叶片迎风速度较低,外导流式翼缝对流动分离现象改善效果不明显,导致气动性能较差;非圆弧翼缝的间距过大使最大风能利用系数降低了15.5%,不适用于直线翼垂直轴风力机。     

Analysis of aerodynamic load on straight-bladed vertical axis wind turbine

This paper presents a wind tunnel experiment for the evaluation of energy performance and aerodynamic forces acting on a small straight-bladed vertical axis wind turbine (VAWT) depending on several values of tip speed ratio. In the present study, the wind turbine is a four-bladed VAWT. The test airfoil of blade is symmetry airfoil (NACA0021) with 32 pressure ports used for the pressure measurements on blade surface. Based on the pressure distributions which are acted on the surface of rotor blade measured during rotation by multiport pressure-scanner mounted on a hub, the power, tangential force, lift and drag coefficients which are obtained by pressure distribution are discussed as a function of azimuthally position. And then, the loads which are applied to the entire wind turbine are compared with the experiment data of pressure distribution. As a result, it is clarified that aerodynamic forces take maximum value when the blade is moving to upstream side, and become small and smooth at downstream side. The power and torque coefficients which are based on the pressure distribution are larger than that by torque meter.     

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。     

Numerical optimization of axial turbine with self‐pitch‐controlled blades used for wave energy conversion

Wells turbines are among the most practical wave energy converters despite their low aerodynamic efficiency and power produced. It is proposed to improve the performance of Wells turbines by optimizing the blade pitch angle. Optimization is implemented using a fully automated optimization algorithm. Two different airfoil geometries are numerically investigated: the standard NACA 0021 and an airfoil with an optimized profile. Numerical results show that each airfoil has its own optimum blade pitch angle. The present computational fluid dynamics optimization results show that the optimum blade pitch angle for NACA 0021 is +0.3° while that of the airfoil with an optimized profile equals +0.6°.The performance of the investigated airfoils is substantially improved by setting the blades at the optimum blade pitch angle. Both the turbine efficiency and tangential force coefficient are improved, especially at low flow rate and during turbine startup. Up to 4.3% average increase in turbine efficiency is achieved by optimizing the blade pitch angle. A slight improvement of the tangential force coefficient and decrease of the axial force coefficient are also obtained. A tangible increase of the stall‐free operating range is also achieved by optimizing the blade pitch angle. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。