三戟垂直轴风力机空气动力特性研究

摘要

风力发电作为最有产业化发展潜力的清洁能源，已经成为全球能源结构中的重要组成部分。“十一五”期间，我国风电产业快速发展，风电技术水平和设备制造能力显著增强。国家“十二五”规划明确提出要加快内陆资源丰富区风能资源的开发利用，因地制宜地发展中小型风电产业。在低风速风电发展的有利背景下，本文提出了三戟垂直轴风轮这种适用于低风速条件下的新型风力机。
　　为充分理解和掌握三戟垂直轴风轮的流场分布特性，本文从三个方面进行了分析。首先从理论上分析了该风轮进行风能二次利用的可行性；然后使用计算流体动力学理论模拟仿真了风轮静态与动态的流场分布；最后使用直流式风洞对风轮试件的运行参数进行了测定。得出的结论主要有：
　　1.理论分析与仿真结果均表明三戟垂直轴风轮的叶片能够引导气流进入风轮内腔。当气流从另外两个出口流出时将会给予出口附近的叶片额外的作用力，驱动风轮旋转，实现风能的再次利用。
　　2.三戟垂直轴风轮的实度较大，转速低于水平轴风轮和垂直轴升力型风轮，但转动产生的扭矩较大，带负载能力较强。
　　3.使用非结构的三角形网格对风轮附近区域进行离散化处理，并对流场变化剧烈的区域进行加密处理，能够得到较为精确的仿真结果。静态仿真结果表明风轮转动之前已经有部分气流进入内腔开始形成二次驱动。动态分析结果显示风轮扭矩随着时间变化呈周期性波动，风轮尾部低风速区的流场变化过程与涡脱落现象类似。
　　4.试验结果表明该风轮起动风速低，带负载能力强，风能利用率较高。

目录

符号表

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2全球风电发展现状

1.3风力机的类型与特点

1.4研究内容与技术路线

第2章 风力机基本理论

2.1风力机基本理论

2.2风力机组的基本结构

2.3本章小结

第3章 三戟垂直轴风轮结构设计

3.1三戟垂直轴风轮的几何结构

3.2三戟垂直轴风轮的工作原理

3.3三戟垂直轴风轮的实度

3.4本章小结

第4章 三戟垂直轴风轮的静态流场特性

4.1计算流体动力学基本理论

4.2计算流体动力学求解流程

4.3计算流体动力学软件简介

4.4风轮静态流场的数值模拟

4.5本章小结

第5章 三戟垂直轴风轮的动态流场特性

5.1多参考坐标系法模拟风轮流场

5.2滑移网格法模拟风轮的流场

5.3本章小结

第6章 三戟垂直轴风轮的试验

6.1风洞及附属设备

6.2测试试验台

6.3风轮试件

6.4试验过程及结果分析

6.5本章小结

第7章 结论

7.1主要结论

7.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果