变桨距垂直轴风力机气动性能分析

摘要

垂直轴风力机的特点是叶片与来流方向垂直，同水平轴风力机相比，不需要任何对风装置而且具有结构简单等优势，因而吸引了国内外众多学者对其展开了研究，这里面所关心的核心问题就是风力机的风能利用率、起动性能和叶片的瞬时载荷等。对于垂直轴风力机因为理论上的不完善，所以作为流体研究方法之一的计算流体动力学方法的研究显得尤为必要，它不但能从宏观上得到一些分析，而且也能够得到叶片的瞬态流场分布以及叶片的瞬时力和力矩等微观性态，这些对风力机的研发都具有重要的实用价值。
　　 本文主要采用数值方法对风力机的性能展开研究和讨论，研究的思路遵循从局部到整体，从静态到动态，从定桨距风力机到变桨距风力机等循序渐进的过程。
　　 首先介绍了变桨距垂直轴风力机的基本原理。对翼型进行了选型，研究了在静态条件下雷诺数对翼型升阻特性等的影响。从垂直轴风力机的数学模型出发，推导出该翼型动态分析的依据，并进行动态分析。评估了翼型性能与风力机叶片在不同卦限气动性能的大致关系，根据翼型的气动数据使用多流管理论获得变桨距风力机的变桨规律。
　　 其次，分析了数值模拟的基本思路，对垂直轴风力机数值模拟中出现的若干问题应用流体的基本原理进行解读。从二维和三维模型计算结果的对比分析可以看出，垂直轴风力机模拟结果对Y+参数非常敏感，同时研究了其它数值参数对风力机性能的敏感程度，解决了计算中的精度问题。最后给出了风能利用率、切向力、轴向力和翼型升阻特性等试验，验证了计算的可靠性。
　　 然后对定桨距风力机进行了力学分析，通过滑移网格对定桨距风力机进行了多工况计算，研究了风力机布局对风力机性能的影响，宏观上，分析了叶片数、弦长、风速、半径，尤其是桨距角对风力机风能利用率、力矩和功率的影响，微观上综合分析了不同桨距角和尖速比下叶片的瞬时效率、瞬时总效率、失速角、贝茨极限、有效攻角和方位角等的关系，找出涡量云图与风力机效率之间的因果关联。
　　 最后对变桨距风力机进行了力学分析和气动模型的建立，并进行动网格调试，对采用变桨规律的风力机通过对UDF方法的研究，实现了多种不改变网拓扑性的动区域方法，并比较了不同方法的优缺点，为变桨距风力机的研究提供了便利。同时针对风速一定，转速一定；风速一定，改变转速；尖速比一定，同步改变风速和转速等三种情况，宏观上分析了变桨距风力机的风能利用率和功率，微观上分析了不同方位角叶片的切向力、轴向力、绕自转轴的力矩和绕公转轴力矩等，并和定桨距风力机进行了对比，结果显示采用变桨距规律的风力机不但提高了风力机的效率，也提高了风力机的起动性能，减少了叶片的脉动频率。最后将变桨距风力机叶片的升阻特性与流场结合，对其进行了气动特性研究。