垂直轴风力机改进翼型气动及功率特性研究

为提高垂直轴风力机的风能利用率,基于CFD数值模拟技术,分析了常用典型垂直轴风力机翼型的气动及功率特性,并以NACA0012翼型为基础对其进行改进。对比改进前后翼型表明,增大翼型厚度可降低升阻比,增大翼型弯度可增强其失速特性;厚尾缘翼型、升阻互补型翼型可分别降低翼型失速性能、增加启动力矩,其中厚尾缘翼型的H型垂直轴风力机的功率系数较大,可提高风能利用率,为翼型优化设计提供了新思路。     

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。     

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。     

垂直轴风力机气动性能及控制策略

针对垂直轴风力机的气动性能及其控制问题,以计算流体力学为基础,对H型垂直轴风力机分别进行二维和三维模拟,并利用实验数据对模型结果进行验证,发现二维模拟时k-εRealizable模型表现更好,三维模拟时则k-ωSST模型更佳.同时,对旋转过程的流场特征进行分析.此外,利用试验验证变量泵-定量马达型液压传动方案的可行性,...     

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。     

垂直轴风力机叶片翼型结冰的数值计算

为研究寒冷气候条件对直线翼垂直轴风力机叶片表面结冰的影响,对该种风力机叶片常用的NACA0015翼型进行了翼型结冰的数值模拟计算.计算基于二维定常不可压缩流体的N-S方程,并引入离散相模型DPM.参照实际风力机野外工作环境参数,通过改变风速和空气中水滴流量等条件,计算了在8种典型攻角下的翼型表面结冰分布情况.结果表明:气流中所含的过冷水滴量和风速是影响风力机翼型表面结冰的关键因素;风速较低时,水滴流量的影响占主导作用;翼型攻角不同,其表面结冰的厚度、面积和生长趋势不同.在一定攻角范围内,翼型表面的结冰面积随翼型迎风面积、风速和空气中水滴流量的增加而增大.在一定条件下,结冰面积可达到翼型面积的30%以上.     

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。     

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。     

内含实体对H型垂直轴风力机气动性能的影响

以H型垂直轴风力机及其内含圆柱形实体为研究对象,对NACA0018翼型的五叶片H型垂直轴风力机的气动性能进行数值模拟和实验验证.分析8种不同直径的内含圆柱体,在内含实体截面积占风轮迎风面积之比分别为21.2％、50.0％和76.9％时,风力机风能利用率的峰值分别下降8.04％、20.7％及74.3％.结果表明:随着内含...     

改进型格尼襟翼对不同实度的垂直轴风力机气动性能的影响

为了提升垂直轴风力机获能效率,为风力机叶片加装格尼襟翼并对格尼襟翼进行改进,通过数值模拟研究了两种格尼襟翼对不同实度的垂直轴风力机气动性能的影响。研究发现：当尖速比为3.1、实度为0.250时,原始格尼襟翼可提升10.92%的风能利用系数,改进型格尼襟翼可提升17.92%。在不同实度,改进型格尼襟翼在高尖速比时可较好地提升气动性能,而原始格尼襟翼在低尖速比时可较好地提升气动性能。当实度增大时,由于叶片间尾迹影响加剧而导致风能利用系数下降,但载荷波动情况得到改善;当实度为0.416时,载荷波动最小。     

风力机翼型的气动性能分析

风力机翼型气动性能分析是风力机气动设计和运行优化的重要基础。采用NUMECA软件对弯度为4%的风力机NACA4412翼型进行气动数值模拟,并与实验数据进行比较,取得比较一致的结果。在此基础上,对NACA2412、NACA4412、NACA6412不同弯度的翼型进行模拟分析,对三种翼型在不同攻角下的气动性能进行了比较,为风力机翼型弯度选择和翼型改型设计提供参考意见。     

驱动热泵的垂直轴风力机风轮气动特性数值分析

根据风能热泵系统的工作环境及匹配特性,针对给定供热面积的系统各参数选取方法以及垂直轴风力机风轮设计进行了探讨,在此基础上初步完成了额定功率为300 W的风轮设计,并利用二维数值模拟方法对不同叶尖速比下的性能曲线进行计算,分析得到了额定风速9.00 m/s时,驱动压缩机的最佳风轮转速为350~375r/min。结果表明,300 W垂直轴风力机的输出特性可满足风能热泵机组的工作要求,该数值分析结果可为风能供热技术的应用示范提供理论支撑。     

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。     

Performance evaluation of a downwind diffuser on vertical axis wind turbine

Research has proven that the performance of a horizontal axis wind turbine (HAWTs) can be increased significantly by the application of a diffuser. It serves as a power augmented feature to draw higher wind flow toward the HAWT. However, research on integrating a diffuser onto vertical axis wind turbines (VAWTs) is scant, where most of the available power augmentation devices used for VAWTs are the convergent duct, deflector plate, shroud, and guide vanes which are placed in a proper configuration at the upwind. In this paper, laboratory tests and computational simulations have been carried out to study the impacts of a downwind diffuser on the performance of a VAWT. The diffuser is designed with the absence of a concentrator or flange and is placed downwind of the VAWT. Parametric computational fluid dynamics (CFD) studies were carried out for the downwind diffuser length and semi-opening angle. A five-bladed H-rotor was selected as the testing wind turbine, whereas the diffuser used was made up of flat plates. Both simulations and experiment results are consistent. From the experiments, it was found that a downwind diffuser increases the VAWT performance remarkably. The diffuser-augmented VAWT produced an increment in the maximum coefficient of power of 31.42% at the TSR 0.65 to 0.75. Moreover, the diffuser induced a better self-start ability on the VAWT. The simulation showed that the flow field at the diffuser promotes a flow expansion which created a lower-pressure region at downstream that accelerates the wind toward the VAWT, hence increasing the turbine performance significantly.     

风力机叶片翼型气动性能数值模拟

采用数值模拟方法对NACA23012,NACA4412,S809,S810等4种常用风力机叶片翼型进行了研究,分析了翼型静止与振荡时的气动性能.随着攻角的增加,静止翼型的升力系数先增大后减小,其阻力系数一直增大,显示出NACA4412翼型具有较好的低风速启动性能;振荡翼型的升力系数随着攻角的变化呈现一个闭合迟滞环曲线,显示出振荡翼型S809的动态失速迟滞效应最为明显.文章参照模拟结果和对比试验数据,验证了数值模拟的可靠性.     

Impact of aerodynamic modelling on seakeeping performance of a floating vertical axis wind turbine

This study focuses on the impact of the aerodynamic model on the dynamic response of a floating vertical axis wind turbine (VAWT). It compares a state‐of‐the‐art quasi‐steady double multiple streamtube (DMS) solver, a prescribed vortex wake (PVW), and a free vortex wake (FVW) solver. The aerodynamic loads acting on a bottom‐fixed VAWT and computed with the three aerodynamic solvers are compared, then the dynamic responses of the floating turbine in irregular waves and turbulent wind with the different aerodynamic solvers are compared. Differences are observed, particularly in the mean motions of the platform. Eventually, the aerodynamic damping computed by the solvers are estimated with aerodynamic simulations on the turbine with imposed surge and pitch motions. The estimated damping can then be correlated with the dynamic response amplitude of the VAWT. Substantial discrepancies are observed between the three solvers at high tip speed ratio, when the rotor is highly loaded. It is shown that the quasi‐steady DMS solver seems to give greater amplitude of motions for the floating VAWT because of strong rotor/wake interaction that are not correctly accounted for.     

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%。