新型组合式垂直轴风力机的优化设计

摘要

风能是发展最快的可再生能源，是新能源的主要方向，具有广阔的应用前景。风力机是风能利用的主要形式，风力机的两种基本形式是水平轴风力机和垂直轴风力机。目前，水平轴风力机应用最为广泛，但是垂直轴风力机凭借自己的特性，也被人们更加重视。
　　 垂直轴风力机分为升力型和阻力型，升力型风机效率高但一般不能自启动，阻力型风机效率低但易启动。根据两种不同类型垂直轴风力机各自的特点，本文设计制作了一种由Darrieus风力机和Savonius风力机组成的新型组合式垂直轴风力机，并对其进行了数值模拟和吹风实验，具体工作和成果如下:
　　 1、对组合式垂直轴风力机中的Darrieus风力机和Savonius风力机的参数进行了优化选择，确定了结构参数的优化方案，并计算确定了组合式风力机的尺寸参数，依据尺寸参数设计制作了由超越离合器作为连接件的组合式风力机模型。
　　 2、采用Spalart-Allmaras湍流模型对设计制作的Darrieus风力机选取的NACA0015翼型进行了二维稳态的数值模拟，分析了该翼型的气动特性。并与参考文献的实验数据对比，验证了模拟的准确性。
　　 3、采用k-epsilon湍流模型，利用滑移网格技术对制作的风力机模型有无Savonius风力机的两种情况进行了非定常的二维和三维数值模拟，模拟结果表明，三维模拟由于叶尖损失等因素，其风能利用率低于二维模拟，加装Savonius风力机后，其风能利用率，输出功率略有降低，但其转矩增大，并计算了两种情况下的扭矩和风能利用率。
　　 4、为了研究组合式风力机的实际性能，分别对制作的风力机模型有无Savonius风力机的两种情况进行了吹风实验，结果表明，加装Savonius风力机后，风机的输出功率，风能利用率略有降低，但Darrieus风力机的启动风速减小，实验结果与模拟结果相符合。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 风力机的发展现状

1．2．1 风力发电简史

1．2．2 国外技术现状

1．2．3 国内技术现状

1．3 风力机类型

1．3．1 水平轴风力机

1．3．2 垂直轴风力机

1．3．3 垂直轴风力机与水平轴风力机的比较

1．3．4 目前垂直轴风力机的情况

1．4 CFD数值模拟在风力机气动性能研究中的应用

1．5 本课题的研究内容

第2章 垂直轴风力机基本理论和CFD理论基础

2．1 风力机基本理论

2．1．1 叶素理论

2．1．2 贝茨理论

2．2 垂直轴风力机空气动力学设计理论

2．2．1 单流管理论的气动设计模型

2．2．2 多流管理论的气动设计模型

2．3 CFD理论基础

2．3．1 流体运动基本方程

2．3．2 湍流模型及计算方法

2．3．3 SIMPLE算法

2．4 本章小结

第3章 新型组合式垂直轴风力机的优化和结构设计

3．1 风力机的优化

3．1．1 Savonius风力机的优化

3．1．2 Darrieus风力机的优化

3．2 组合式风力机尺寸的确定

3．2．1 组合式风力机尺寸的计算

3．3 组合式垂直轴风力机主要部件的选取和制作

3．3．1 Savonius风力机

3．3．2 Darrieus风力机

3．3．3 超越离合器

3．3．4 支撑台

3．3．5 中心转轴

3．4 组合式垂直轴风力机的安装

3．5 本章小结

第4章 新型组合式垂直轴风力机的数值模拟

4．1 单个翼型气动性能模拟研究

4．1．1 几何模型和网格划分

4．1．2 边界条件

4．1．3 湍流模型与控制方程

4．1．4 NACA0015翼型模拟结果和分析

4．2 风力机整机的非定常模拟

4．2．1 几何模型和网格划分

4．2．2 控制方程及边界条件

4．2．3 湍流模型和计算方法

4．2．4 模拟结果处理和分析

4．3 组合式垂直轴风力机整机的三维非定常数值求解

4．3．1 网格划分

4．3．2 边界条件

4．3．3 湍流模型和计算方法

4．3．4 计算结果和分析

4．4 本章小结

第5章 实验及实验数据分析

5．1 实验方案

5．2 实验装置

5．2．1 数字风速测量仪

5．2．2 控制器

5．3 实验结果

5．3．1 启动风速测量结果

5．3．2 电流、电压、功率测量结果

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果