H型垂直轴风力发电机气动性能优化研究

摘要

近年来，风力发电行业发展迅速，风能已经是世界上增长最快的能源之一，快速发展的风电相关产业也创造了越来越多的就业机会。垂直轴风力发电机（VAWT）结构简单，适用性高，在风力发电行业中的应用具有显著优势，但是垂直轴风力发电机效率较低的问题阻碍了其进一步的发展。论文基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对垂直轴风力发电机进行了模拟计算，总结了垂直轴风力发电机空气动力学性能计算的一般流程，分析了风机运行在不同叶尖速比条件下叶片周围流场特性的区别，计算得出风机以及叶片在运行过程中转矩值的变化规律，并通过实验测试的方法对CFD仿真计算进行验证，证明了计算结果的准确性。
　　研究翼型改型方法对垂直轴风机风能获取的影响。具体的改型方法是利用不同长短轴比的半椭圆来代替翼型最大厚度位置之前的弧线，分析了采用不同改型方法的风机CFD仿真模拟计算的结果，计算结果表明：使用不同改型叶片的垂直轴风力发电机气动性能特点不同。当叶片翼型使用3/2改型方法时，垂直轴风机的性能优化效果最显著，其风能利用系数最高为0.384，比采用原翼型的垂直轴风机提升了16％。
　　研究挡板对垂直轴风机的空气动力学性能的影响。利用 CFD数值模拟计算，重点研究了挡板尺寸参数、两风机之间的距离、叶片安装角对垂直轴风力发电机能量获取的影响规律。计算结果表明：在挡板的尺寸参数之中，宽度参数对垂直轴风机的风能获取影响最大；两风机之间的距离过小将会在一定程度上降低垂直轴风机的风能利用系数；此外，基于以上结论探究了叶片安装角对垂直轴风机相关性能的影响规律，分析结果表明：当挡板宽度参数为0.34，挡板到风机之间距离参数为0.6，挡板高度为2000mm，叶片的安装角为4时风能获取情况最好，计算得出的最大风能利用系数为0.465，较原风机提升了38%，为垂直轴风机的性能优化提供了参考方向。

目录

1 绪 论

1.1风力发电研究背景

1.2风力发电机

1.3垂直轴风力发电机运行效率研究现状

1.4课题主要内容

2 垂直轴风力发电机的基本理论

2.1 风力机基本理论

2.2 翼型的几何参数

2.3 翼型空气动力学特性

2.4升力型垂直轴风机工作原理分析

2.5数值模拟方法

2.6 本章小结

3 风轮的CFD数值计算与试验验证

3.1 风轮的几何模型

3.2 几何模型简化

3.3 计算网格划分

3.4 计算参数设定

3.5 计算结果分析

3.6 试验验证

3.7 本章小结

4 叶片前部改型的垂直轴风力机气动性能优化

4.1翼型改型

4.2仿真结果分析

4.4 本章小结

5 带有挡板的垂直轴风力发电机性能优化研究

5.1结构设计

5.2 数值模型

5.4气动性能分析

5.5能量获取分析

5.6两台风机之间距离的影响

5.7安装角对风机风能利用率的影响

5.7本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录