不同对称翼型H型风力机气动性能数值模拟研究

风轮是风力发电机利用风能的核心部件,而翼型作为风轮的关键零件,其结构参数的选择的不同会对风力机性能造成极大的影响.文中选取3种常用的H型垂直轴风力机NACA系列对称翼型的绕流流动,建立其湍流流场的模型,采用移动网格技术对其进行数值分析与计算,得出风轮的力矩系数、功率及风能利用率的变化规律,在此基础上,分析了不同的对称翼型对垂直轴风力机风轮气动性能的影响.根据其气动性能曲线,拟合出给定工况下,风能利用率随尖速比的变化公式.

H型风力机新型变桨方案数值模拟

针对H型风力机叶片旋转至0°和180°方位角时攻角为0,力矩系数为负值且其附近较大区域也为负值或较小,由此对风力机整体气动性能产生较大负面影响这一问题,提出以改善小攻角区域性能为目标的新型变桨方案,在叶尖速比为4.5时设计桨距角变化曲线改变整机气动性能.采用动网格技术模拟叶片旋转,RNG k-ε模型模拟湍流影响,应用Fluent软件对变桨和定桨风力机进行数值模拟和分析比较.计算结果得出,变桨之后H型风力机叶片扭矩明显增大,最高提升幅度达14%;上盘面,30°~80°方位角叶片扭矩提升幅度较大;下盘面,除270°附近方位角处扭矩无明显变化外,其他方位角叶片扭矩均有较为明显的提升.变桨后风力机内流场变化也较为明显,流场内速度差异较大,内流场的低速区面积变大.从涡量云图也可得到变桨能有效地减小了叶片进入尾流区的概率,降低了尾流对整体风力机性能的影响.

高密实度H型风力机气动性能的数值分析

针对高密实度H型风力机在不同叶片数下的气动特性及风场布置等问题,将采用k-ωSST湍流模型进行数值模拟的方法应用到对高密实度H型风力机的研究中。开展了对风力机做功特性的分析,建立了流场与风力机功率之间的关系,提出了单个风力机设计选择叶片数时应综合考虑风力机效率和轴承安全这两个因素;在尾流场分析的基础上对不同叶片数的风力机在风场前后串列布置进行了评价。研究结果表明:叶片在上游(θ=90°附近)的气动性能决定整个风力机的性能;由正常工况点下的流场图显示,叶片数的增加导致流场复杂,以及叶片的内外压差逐渐减小,从而使得功率下降;尾流场流向速度恢复至来流速度的距离随叶片数的增加而减小了28.1%,这对风力机的前后串列布置提供了依据。

基于滑移网格的H型风力机叶片设计与气动性能研究

对基于风光互补型的H型风力机进行了叶片设计,建立了风力机的三维模型,用FLUENT软件求解时采用滑移网格技术,基于N-S方程和RNGκ-ε湍流模型,分析了三叶片风轮在不同安装角下的全三维非定常流模拟动;模拟结果得出风力机在不同安装角时的风能利用率随尖速比的变化曲线以及风轮的功率随转速的变化曲线;得到了所设计风力机的最佳安装角,对确定风力机的最佳运行工况提供了依据。

凸粗糙元对H型垂直轴风力机启动性能影响的试验研究

为了改善H型垂直轴风力机的启动性能,本文提出了一种表面装有半球形凸粗糙元叶片的H型垂直轴风力机,并对单面装有凸粗糙元叶片的H型风力机进行风洞试验,分别测试了H型风力机在多个风速下的静扭矩特性以及动态启动特性,得出了凸粗糙元对H型风力机启动性能的影响规律。试验结果表明:采用凸粗糙元外置叶片的H型风力机静扭矩增大,启动时间减小,最大稳定转速增大。

基于涡理论的H型风力机新型变桨分析

H型风力机叶片在0°和180°方位角,其攻角为零,扭矩为负值,附近区域性能也较差,对整机性能产生很大影响。为提高H型风力机整体气动性能,在最佳叶尖速比等于5.0时,设计了新型变桨方案。基于涡流理论,借助Matlab建立了三维风力机涡模型,分析了变桨前、后的气动载荷参数的变化规律,结果表明变桨之后攻角、扭矩系数都有改善,上下盘面高性能区域拓宽,其中下盘面效果更加明显;由涡模型可知对于直叶片H型风力机,脱体涡对它的影响最大。

H型浮式垂直轴风力机刚—柔耦合多体动力学建模及仿真

采用多体动力学方法研究了H型浮式垂直轴风力机的动力特性。将风力机叶片和塔柱处理为柔性体,浮式基础处理为刚性体,考虑柔性体的非线性变形,由拉格朗日第二类方程建立了浮式风力机系统的非线性刚—柔耦合多体动力学方程。系统载荷包括浮式基础受的波浪力、风机叶片旋转时受到的气动载荷、塔柱受到的风压载荷、系泊力以及系统阻尼力。编制了模拟系统响应的数值计算程序,该程序可以考虑浮式风力机系统的刚—柔耦合和气动力—水动力耦合效应。以5 MW风力机为例,计算了叶片的固有频率;分析转速对叶片固有频率的影响;计算风、浪联合作用下浮式风力机系统的动力响应。结果表明,随着风机转速的增加,叶片切向固有频率增加、法向固有频率减小;在风、浪联合作用下,浮式基础运动以波浪频率为主,气动载荷贡献较小。

H型风力机气动性能数值分析

本文采用CFD软件Flow Vision HPC对三叶片H型垂直轴风力机的二维非定常黏性流场进行了数值模拟研究。叶尖速比变化范围(定风速变转速)为1.86～2.57。计算的风能利用系数与三维实验数据进行了比较。讨论了单个叶片和三叶片载荷沿周向的变化规律,详细分析了一个旋转周期内二维非定常速度场和涡量场随相位角的变化规律。

H型垂直轴风力机数值模拟与风洞试验

以翼型为NACA0012的3叶片小型H型垂直轴风力机为研究对象,采用数值模拟和试验验证的研究方法,分析了不同安装角、不同旋转直径对于风力机气动性能的影响。应用Fluent软件求解三维非定常不可压N-S方程和RNGκ-ε湍流模型,使用Simple算法,采用滑动网格技术,对H型风力机的二维非定常流场特性进行了数值模拟研究,得出了风力机功率曲线图。分析可知当风力机处于低速状态转动时,主要影响因素是风轮直径。随着转速的增加,安装角对于风力机气动性能的影响越来越大,随着安装角的增加,风力机的功率出现先增加后减小的趋势。风洞试验表明,风轮直径在860mm,转速约300r/min,安装角4°,风力机的整体效率最高。数值模拟与风洞试验结果的变化趋势基本相同。

H型垂直轴风力机启动性能分析

以H型垂直轴风力机为研究对象,从最基本的启动特性入手,采用三维CFD技术,结合剪切应力输运SSTκ-ω湍流模型,模拟分析了全尺寸垂直轴风力机的安装半径、叶片弦长、安装角度和叶片数目四个参数对其自启动性能的影响。结果表明,上游叶片和塔筒的尾流对下游叶片气动特性具有影响,当叶片处于上游尾流区内时,牵引力急剧减小,当气流从两叶片之间穿过时,风力机启动力矩可达到最大值;风轮的静态启动力矩随叶片安装半径的增加而增加,即叶片安装半径越大,自启动性能越好;当叶片弦长从0.1m增至0.4m时,启动力矩增长较快,当叶片弦长大于0.4m时,力矩随叶片弦长增加的幅度明显减小;不同的叶片安装角度对垂直轴风力机启动性能的影响较小,当安装角从1°增至8°时启动力矩也随之缓慢增加,当安装角达到9°时启动力矩迅速减小;叶片数目越多,风轮的最大启动力矩越大,自启动性能越好。

动态变桨式H型风力机气动特性的数值分析

本文采用CFD数值模拟方法研究了H型垂直轴风力机基于动态变桨条件下的二维非定常黏性绕流场。以一个三叶片H型风力机的实验模型为研究对象,采用笛卡尔动网格方法,选用SST湍流模型。叶尖速比分别为2.15和2.27,将动态变桨条件下模拟得到的风力机的功率系数与常规无变桨条件下的模拟结果进行了比较。讨论了单个叶片和风轮总载荷沿周向的变化规律,详细分析了一个旋转周期内二维非定常涡量场的变化,揭示了动态变桨后风力机气动载荷提高的原因。

叶顶端板对H型风力机气动特性与三维绕流场的影响

本文采用笛卡尔动网格方法数值模拟研究了叶顶端板对H型垂直轴风力机非定常气动特性与三维黏性绕流场的影响。选用SST湍流模型,假设全流场为湍流流动。叶尖速比为1.86~2.57,以实验模型为研究对象,对未加装叶顶端板的H型风力机进行了三维数值模拟研究。在实验模型的基础上给每个叶片的顶部分别加装了端板,采用同样的数值模拟方法,选择低、中、高三个叶尖速比研究了带有叶顶端板的H型风力机的三维非定常气动特性。利用不带端板和带有端板的风力机模型计算得到的功率系数与实验数据进行了比较,讨论了单个叶片和风轮载荷沿周向的变化,分析了一个旋转周期叶顶附近相对速度的变化规律,揭示了加装端板后风力机气动载荷提高的原因。

基于改进PSO的H型垂直轴风力机风轮优化设计

气动模型以双向多流管理论为基础,考虑风场的风速概率密度分布函数,以风力机发电机组的年平均输出功率最大为设计目标,采用改进的粒子群优化算法进行全局寻优搜索.利用开发的Matlab优化设计程序,在额定功率和额定风速一定时,针对特定风场优化设计H型垂直轴风力机风轮,得出风力机风轮的最佳匹配参数.与初步设计的风力机相比,优化后年平均输出功率增加了11.8%,且优化设计结果在气动性能方面有明显的优越性,说明该优化模型的实用性和有效性.

H型风力机叶片桨矩角影响的数值分析

本文采用笛卡尔动网格数值模拟方法,研究叶片桨距角变化对三叶片H型垂直轴风力机气动性能和二维非定常黏性流场的影响。采用SST湍流模型,桨矩角变化范围为-12°-2°,叶尖速比为1.86,2.15,2.27。比较了不同尖速比时风能利用系数随桨矩角的变化,揭示了桨矩角不同时单个叶片和风力机总载荷沿周向的变化规律,讨论了一个旋转周期内桨矩角变化对二维非定常涡量场的影响。

屋顶H型垂直轴风力机气动性能CFD计算方法研究

以一种屋顶H型垂直轴风力机为研究对象,采用计算流体动力学方法模拟了风轮在10 m/s风速下的功率系数曲线。提出以计算效率和精度作为功率系数数值计算方法适用性的评价指标,通过对比功率系数曲线的计算结果和实验数据,研究了湍流模型、网格单元形状和时间步长对功率系数计算适用性的影响。结果表明,计算H型垂直轴风力机功率系数时,采用SST k-ω湍流模型、四边形网格划分计算域,设置时间步长为风轮旋转0.5°所需时间,可获得较高的计算效率和计算精度。

垂直轴风力机二维流场特性及变桨规律研究

为了研究H型垂直轴风力机的变桨规律,提高其获能效率,对垂直轴风力机叶片翼型进行空气动力学性能分析,选出升阻比较高的翼型。对优选出的翼型进行二维建模,采用CFD(Computational FluidDynamics)方法进行二维流场仿真模拟,得到不同尖速比叶片周围流场的变化规律,据此设计出H型垂直轴风力机叶片并进行三维建模。分析叶片旋转一周所受力矩的变化,即某一方位角不同桨距角下力矩的变化趋势,得出垂直轴风力机旋转一周的变桨规律。该研究对H型垂直轴风力机的开发和工程应用具有一定的参考价值。

小型H型垂直轴风机变桨距机构研究

升力型垂直轴风力发电机的风能利用率低以及自启动性能差等问题影响着它的应用和发展,针对上述问题,采用变桨距控制方法,并且设计了一套风机独立变桨机构,通过对H型垂直轴风机变桨距的数学建模和机构设计进行了分析与研究。在理论分析上,对风机静止时和旋转时的受力分析分别得出了静止时的变桨结论和旋转时的变桨算法;在机构设计上,采用了独立变桨机构,利用伺服电机带动蜗轮蜗杆减速机,达到精确简便的目的。

挡流板对垂直轴风力机性能影响的试验研究与分析

在风力机前方安装挡流板可提高H型垂直轴风力机的发电功率,但目前缺少对该结构装置的全面系统研究,且评估安装挡流板时所使用的风能利用系数C_(P)的计算方法并不恰当,以至于某些计算结果突破贝兹极限,导致概念混淆。文章通过对挡流板安装位置及安装角度进行测试,获取了不同位置的风力发电功率随风轮转速的变化关系。结果表明:在一定距离范围内,挡流板与风轮有一最佳距离,挡流板远离风轮时,提高风速的效果差,挡流板距离风轮越近对来流风干扰变大,输出功率反而降低;挡流板的最佳安装角度为90°,安装角小于或者大于90°时,风速变化平缓,输出功率增长减弱,失去聚风作用。考虑到挡流板聚风后叶轮前的风场不均匀,在计算C_(P)时不能取某一个风速值或用平均值代入其定义式,文章提出了采用平均风动能的统计方法计算C_(P),计算结果表明,增加挡流板可以提高输出功率,但不一定能增加C_(P)值。

H-VAWT设计参数对其叶尖损失的影响

为了探讨在H-VAWT叶片上增加叶尖小翼或增大展弦比对风力机整体气动性能的作用和影响,计算和分析研究了不同设计参数对其叶尖损失的影响.首先以有限展长H-VAWT的气动性能为基准,将无限展长H-VAWT与之相比较所得到的气动性能的相对差值来分析设计参数—实度和翼型对其所生成的H-VAWT叶尖损失的影响,又通过比较不同展弦比所生成的H-VAWT的气动性能,分析总结了展弦比对H-VAWT叶尖损失改进的效果.结果表明:无论生成H-VAWT的设计参数(实度和翼型)如何,当H-VAWT工作在较高尖速比下(λ≥1.60),更适合使用改善叶尖损失的措施来改善H-VAWT的气动性能;当H-VAWT实度比较大(σ≥0.96)或生成H-VAWT的翼型较厚时,有必要增加叶尖小翼或加大叶片展弦比来减少叶尖损失的不利影响,改善H-VAWT气动性能;加大叶片展弦比对H-VAWT气动性能的改善是有限的,基于设计要求及其他几何参数的限制,H-VAWT展弦比在5≤μ≤20范围内较合适.

风能利用系数最优小型H型垂直轴风力机叶片模拟

采用移动网格技术,选用SST(剪切力传输)k-ω湍流模型,建立了1kW功率的H型垂直轴风力机风轮外流场CFD模型,研究了不同叶片翼型、不同弦长和翼尾加装Gurney襟翼对风力机风能利用系数的影响。结果表明,300mm弦长的NACA0018翼型较为适合H型垂直轴风力机;在尖速比为2.5—3.5时,H型垂直轴风力机的工作效率较高;尖速比为2.8时,高度为1%弦长的Gurney襟翼翼型能够提高风能利用系数3%。