基于CFD的双转子垂直轴风机外形优化研究

发布时间：2020-03-20 11:39

【摘要】：作为产业化程度最高的新能源之一的风能,近年来受到人类越来越高的重视,其中人们最常利用风能的手段是用风机发电。而由于传统的水平轴风机(HAWT)结构复杂、安装困难和对风质量要求高等原因,在技术上取得大的突破已经很困难,但是垂直轴风机(VAWT)能克服以上困难,而且更能适应恶劣的风场环境。尽管垂直轴风机在恶劣的天气下有优势,但是由于其内部流场比较复杂,近几十年对其研究相对较晚而且少,所以对其空气动力学的研究仍有很多不足。由于垂直轴风机风能利用率较低的问题一直未能很好解决,本课题提出了双转子垂直轴风机的设计,能够有效提高垂直轴风机的风能利用率。论文采用了三维CFD数值模拟方法求解H型垂直轴风机的空气动力学性能。本方法所有的计算域均采用结构网格的划分方法,运用STAR-CCM+商业软件的求解器求解风机流场,并与实验数据进行对比,验证了本方法的可行性。对单转子垂直轴风机的运行过程采用变参数的方法研究其气动性能和流场变化,得到风速、安装角和叶片数对单转子风机的影响规律,为改善垂直轴风机气动性能提供参考。考虑到垂直轴风机风能利用率低的问题,论文采用双转子垂直轴风机的新型设计理念来提高风机的风能利用率,并采用了CFD数值模拟方法研究了不同参数对双转子风机气动性能的影响机理,得到风机转子之间的间距、安装角和叶片数等参数对风机风能利用率的影响规律。研究结果发现:双转子垂直轴风机的间隙比越小,单机的风能利用率比单转子垂直轴风机增加越多,在本文计算的最小间隙比情况下,风机的风能利用率提高了13.4%,而两个风机的相位差和不同的风向对双转子风机的气动性能影响不大;双转子风机的最佳安装角与单转子风机接近,随着安装角的增加,最佳风能利用率先增加后减小;叶片弦长和叶片数即风轮的实度对风机性能也有影响,随着实度增加,双转子风机的最佳尖速比减小;各个叶片数下双转子风机的风能利用率均比单转子风机大,叶片数越多,风机对间距的敏感性越强,即在减小间隙比时较多叶片数的双转子风机的单机风能利用率增加更明显。以上双转子垂直轴风机的气动规律可以为垂直轴风机的外形优化提供参考思路。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315

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本文编号：2591727