新型升阻混合型垂直轴风力机的数值研究

摘要

作为一种可再生能源,风能具有清洁无污染、储量丰富、投资少见效快的优点。化石能源等不可再生能源的消耗殆尽,使各国加大力度研究风力发电技术。风力发电的份额在能源市场的地位占据越来越重要的地位。垂直轴风机的运行不受来流风向的影响,在小型风电领域受到研究人员的青睐。因此,对这种风机的数值研究是很一项很重要的课题。
　　本文提出了升阻混合型风轮,就是两种叶片组成的风力机,一种是围绕转轴的阻力差型叶片,另一种是其外围添加的升力型叶片。本文旨在于这两种已知的垂直轴风轮以如此方式组合起来使用,是否会产生综合效果。升力型叶片的有直立的H型,还有无连接支杆的Ф型,叶形一般为机翼的翼型。阻力型叶片有很多种,比较常见的是S型以及在其基础上的衍生类型。两种垂直轴的风轮各有自身的优缺点。升力型的垂直轴风机运行转速较高,在有些时候可以直接驱动电机,然而启动性能不佳,一般来说需要外部设备将其启动到工作转速。阻力型的垂直轴风力机由于迎风面积较大,所以启动力矩很大,然而通常这种风机适于工作的尖速比都在1以下,不能广泛应用于发电场合。本文所探讨和论证的内阻外升的混合风轮就是想验证这种搭配方式是否能产生综合效果,即让混合风轮有较大的启动力矩和较高的工作转速。
　　本文首先从阻力叶片的数值仿真入手,建立了具有叶片厚度的S型阻力风轮的二维仿真模型,并且设计了与该S型风轮有相同回转半径的双S型阻力风轮(叶片有两片,单个叶片为S型,两片之间还有一导叶)。
　　选择RNGk-ε模型的设定,从两种阻力叶片的计算比较开始,将相同的升力叶片做出环形的动域流场,置于阻力叶片圆形动域的外圈,做了它们混合风轮方案的计算对比。经过综合比较,发现新设计的双S型阻力叶片与4片升力叶片构成的混合风轮要比传统的S型阻力风轮与相同升力叶片构成的混合风轮性能要好一些,表现为输出功率在某一转速后明显高于后者,并且最佳工作尖速比已大于1。
　　然后又做了其他几组相同计算设定不同升力叶片弦长的升阻混合方案的二维fluent仿真计算。几组方案获得的扭矩——尖速比曲线和功率——尖速比曲线经过对比显示550mm弦长时的升力叶片与阻力叶片混合能取得最好的综合效果,有效工作的转速范围较宽。以之为进一步优化设计的基础,选取阻力风轮与升力风轮的匹配角度以及两片阻力叶片之间的x向与y向偏置距离作为设计优化变量,在isight-FD集成软件上搭建优化设计平台,采用多岛遗传算法,以平均扭矩作为优化目标,进行了进一步的寻优设计。
　　接着,将所得的二维优化结果建成三维的实体模型,并且构造出三维空间的流场模型,以更接近实际的情况研究这种混合风轮的气动特性。三维的数值计算利用CFX,同二维计算一样,也是依托移动网格技术创建滑移交界面实现转动运动的非定常仿真计算。除了直接将平面叶型拉伸成直叶片外,还尝试着内部的阻力叶片的扭转设计,即积迭出螺旋形的外形轮廓,通过数值计算验证这种新型设计能否起到改善功率输出特性或者提升性能的效果。进而又试验了将升力叶片的截面沿周向旋转一定角度,形成掠叶片。在同样的计算条件下,与前面的直叶片升阻混合风轮进行对比,评估其改进的效果。本文所论述的完整设计流程为以后垂直轴风机的改进和革新提供了有用的方法和设计方向。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 小型垂直轴风力机的开发背景

1.2 风力发电技术简介

1.2.1 水平轴风力发电机

1.2.2 垂直轴风力发电机

1.3 垂直轴风力机的理论研究进展

1.4 本文的主要目的和工作内容

第二章 风力机工作原理介绍与风轮的设计

2.1 阻力型风机的工作原理

2.2 升力型风机的工作原理

2.3 S型风轮和其改型

2.4 升力型风轮

2.5 升阻混合风轮

2.6 本章小结

第三章 数值模拟及优化设计

3.1 流动控制方程

3.2 湍流模型

3.3 壁面函数

3.4 二维仿真模型的建立

3.4 二维CFD计算

3.4.1 计算条件的设定

3.4.2 移动网格的滑移边界

3.4.3 瞬时模型的设定和计算方法的验证

3.4.4 垂直轴风轮的二维仿真计算结果

3.5二维优化设计

3.5.1 升力风轮与阻力风轮的匹配关系

3.5.2 优化方案与多岛遗传算法介绍

3.5.3 选取设计变量，构建优化流程

3.6 三维仿真计算及优化设计

3.6.1 三维建模

3.6.2 三维计算条件设定

3.6.3 直叶片混合风轮的计算结果

3.6.4 内部阻力叶片的扭转设计

3.6.5 外圈升力叶片的掠设计

3.7 本章小结

第四章 设计结果分析及评估

4.1 二维流场分析

4.1.1 两种阻力叶片的升阻混合方案气动分析与比较

4.1.2 优化改型前后的流场分析

4.2 三维流场分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

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致谢