垂直轴风力机的特性分析

发布时间：2020-10-09 02:34

　　随着传统能源(石油、煤矿等)的不断消耗,可再生能源的利用所受到的重视与日俱增。可再生能源包括风能、地热能、太阳能、生物质能和水能等,风能在新能源的开发利用中占有极为重要的地位。风力机是利用风能的主要工具,可将风的动能转化为风力机的机械能,再将机械能转化为我们日常所需的电能或者热能等,因此风力机的研发设计是风能利用的最重要的研究部分。不同类型风力机各有其优点。本文以垂直轴阻力型风力机为研究对象,应用数值模拟方法,及流体力学相关理论,使用到SST k-ω湍流模型、滑动网格技术、以及PISO算法和QUICK差分格式,对垂直轴阻力型风力机的特性开展了数值模拟研究。主要工作内容如下：1、对不同的网格密度和计算区域大小进行了计算和分析,寻找出合适的计算模型,为后续的数值模拟计算奠定基础；2、针对三叶片、五叶片以及六叶片垂直轴阻力型风力机,分析了不同风速下叶片宽度、转速对风机功率以及风能利用系数的影响,并找到了最佳值；3、针对五叶片风力机,分析了不同叶片宽度时叶片安装角度对风力机性能的影响,并找到了叶片安装角度的最佳值；4、通过分析速度云图、压力云图以及湍动能云图,对比研究了每种风力机的气动特性。结果显示,当叶片安装角度为零时,同种叶片结构的风力机的最佳风能利用系数值随着叶片数量的增加而逐渐增大；通过改变叶片的安装角度,能有效的加强风能利用系数；对于半径为2m的风力机,三叶片、五叶片、六叶片风力机的叶片宽度优化后分别为1.32m、0.80m以及0.70m。三叶片和六叶片风力机均在凹叶片的边缘处产生最大压差。
【学位单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TK83
【部分图文】：

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类似于机翼的形状，作用在其上的力是由于环绕气流的流速变化所引起的，当逡逑通过翼型上方的气流速度大于下方时，翼型上方的压力小于下方压力，形成了风力机的逡逑动力。我们以Ｈ型垂直轴风力机为例研究其转动过程，图１．４为风轮的示意图。逡逑冬１，逡逑图１．４Ｈ型风力机风轮示意图逡逑该风力机的风轮部分由两个等截面的叶片、转轴以及支架组成，叶片的截面是对称逡逑的流线型，叶片以相反的方向围绕转轴排列，由支架连接。当风力机工作时，叶片围绕逡逑转轴转动，因此我们选取叶片从０°至３６０°的八个方位变化位置作为研究对象，分析其逡逑在理想状态下的受力情况。逡逑图１．５为叶片分别在０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°八个位置的示意逡逑图。风从左侧进入，叶片沿逆时针旋转。当叶片旋转到９０°和２７０°时，叶片无升力，而逡逑其余的六个位置均产生能使叶片转动的升力。风轮旋转的转矩力为升力和沿叶片的转动逡逑方向的阻力的合力。图１．６为选取单一叶片所受的力分析。由图可见，当叶片处于０°或逡逑１８０°附近时才有较大的输出力，而在１８０°至２７０°附近的角度内产生的是反转力矩，对风逡逑力机的转动是阻碍作用。逡逑５逡逑

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３．１．２叶片结构设计参数逡逑在选定风力机叶片形状的条件下，影响风力机风能利用率的因素有叶片的数量、叶逡逑片宽度的大小、叶片氋度的大小。图３．１为五叶片风力机的俯视示意图，图中半圆形为逡逑叶片，五个叶片等间距环绕排列，在叶片末端至中心点的连接为支架，ｒ表示叶片的半逡逑径，Ｒ表示风力机风轮的半径，（Ｒ－２ｒ）则为支架的长度，０为叶片最外边缘与支架的夹角，逡逑即为安装角度，并且规定顺时计旋转为正，逆时针为负。逡逑２１逡逑

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逡逑图３．２为５叶片垂直轴阻力型风力机简化后的二维流场模型。取风力机流场模型的逡逑几何参数为：风机旋转半径为２ｍ，半圆弧型风叶的直径为０．７６ｍ，叶片高度为Ｉｍ，叶逡逑片数为５。风从左侧进入流场，右侧流出流场，风力机的旋转是沿顺时针转动。逡逑逦＾逡逑＾邋Ｖ邋逦邋逦＾—．风叶逡逑逦？逡逑图３．２风力机的二维流场模型逡逑在风力机的非定常数值计算中，需要将流场划分为两种区域，一种是静态区域，另一逡逑种是动态区域，也就是叶片的旋转区域。如图３．２所示，将整个流场的计算区域划分为逡逑ＺＫＺ２以及Ｚ３三个部分。Ｚ３是半径为Ｉｍ的圆形中心区域，其内部流场属于静态区域；逡逑Ｚ２为圆环形动态区域，半径为２．２ｍ，包含风机叶片；Ｚ１为长方形静态区域，扣除了逡逑Ｚ２和Ｚ３的计算区域，是整个流场的模拟范围。逦、逡逑在建立二维模型的过程中

【参考文献】