采用S系列翼型垂直轴风力机气动特性研究

摘要

为探究S1046、S809翼型叶片是否较NACA0018翼型叶片在起动特性和输出特性方面有所提高，文章选取了S系列非对称翼型S809和对称翼型S1046两种翼型进行了数值计算和风洞实验。
　　主要研究内容如下:
　　(1)不同翼型风力机的输出特性，其中包括功率系数特性与转速特性。采用了理论分析和数值计算相结合的方法，分析不同翼型的输出特性，并对得到的数值计算结果进行风洞实验，验证数值计算的准确性。通过对特征点的流场进行分析，得出三种不同翼型风力机输出特性变化的原因。
　　(2)不同翼型风力机的起动特性，其中包括静力矩系数特性与自起动特性。采用了理论分析和数值计算相结合的方法，分析不同翼型不同方位角的风力机的静力矩系数，进一步将得到的数值计算结果进行风洞实验，验证数值计算的准确性;对三种不同翼型叶片在不同风速不加负载的状态下进行自起动实验，探究三种不同翼型叶片在自起动方面的优缺点。
　　研究得到以下主要结论:
　　(1)输出特性方面:在不同风速下，三种不同翼型的两叶片和三叶片风力机功率系数都随尖速比的增大呈现先上升后下降的趋势。相同风速下，S1046翼型两叶片风力机在尖速比达到1.2后，功率系数高于其他两种叶片。在尖速比为2.0时，达到最大功率系数;三叶片风力机在尖速比达到1.0后，功率系数高于其他两种叶片。在尖速比为1.8时，达到最大功率系数。通过计算获得的流场图表明，S1046翼型风力机内部流场较为规整，流线较为平滑，对流经叶片尖端和风力机内部的涡旋均有不同程度改善，一定程度上减少了能量损失，从而改善了风力机的输出特性。同时，S1046翼型两叶片和三叶片风力机在各个风速下的最高转速都高于其他两种翼型，起动时间也高于其他两种翼型。
　　(2)起动特性方面:
　　在风速为10 m/s时对三种不同翼型风力机进行了不同方位角的静力矩数值计算和风洞实验。总体趋势上来看，非对称翼型S809相对于其他两种对称翼型具有更大的静力矩系数。风洞实验结果与数值计算结果在整体趋势上具有良好的一致性，验证了数值计算的准确性。
　　自起动实验中表明，S1046翼型两叶片和三叶片风力机在自起动方面都优于NACA0018翼型。两叶片S1046翼型在风速为6m/s时即可起动，S809翼型需7m/s，NACA0018翼型在9 m/s时才能起动。三叶片S1046和S809翼型在风速为6m/s时即可起动，NACA0018翼型在8 m/s时才能起动。
　　研究通过数值计算和风洞实验的方法对三种不同翼型在输出特性和起动特性两个方面进行了分析，探明了更适合垂直轴风力机工作环境，更高输出特性和起动特性的叶片翼型，为之后的翼型研究提供参考。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 风能利用现状

1．2 风力机类型

1．2．1 风力机主要类型

1．2．2 直线翼垂直轴风力机

1．3 直线翼垂直轴风力机叶片翼型研究现状

1．4 研究现状分析

1．5 研究目的与研究内容

1．6 技术路线

2 模型设计和研究方法

2．1 风力机模型设计

2．2 风力机性能参数

2．3 数值计算

2．3．1 数值计算理论

2．3．2 数值计算方法

2．4 风洞实验

2．4．1 风力机模型制作

2．4．2 风洞实验系统与设备

2．4．3 风洞实验方法

2．5 本章小结

3 翼型对风力机输出特性影响研究

3．1 翼型对风力机功率系数特性影响研究

3．1．1 翼型对两叶片风力机功率系数特性影响

3．1．2 翼型对三叶片风力机功率系数特性影响

3．2 翼型对风力机转速特性影响研究

3．2．1 翼型对两叶片风力机转速特性影响

3．2．2 翼型对三叶片风力机转速特性影响

3．3 本章小结

4 翼型对风力机起动特性影响研究

4．1 翼型对风力机静力矩系数特性影响研究

4．1．1 冀型对两叶片风力机静力矩系数特性影响

4．1．2 翼型对三叶片风力机静力矩系数特性影响

4．2 翼型对风力机自起动影响研究

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文