氣流繞流對某科技館屋頂垂直軸風力機運行的影響

垂直軸風力機中升力型風機效率高但一般不能自啟動,阻力型風機效率低但易啟動。根據(jù)兩種不同類型的垂直軸風力機各自的特點,采用超越離合器作為連接件,設計制作了一種由darrieus風力機和savonius風力機組成的組合式風機模型。在對有無加裝s型風機進行了啟動風速、輸出功率的性能對比后發(fā)現(xiàn),加裝s型后的啟動風速更低,而輸出功率則差別不大。

為探明直線翼垂直軸風力機的葉片個數(shù)對其起動性的影響,設計制作了可更換葉片個數(shù)(1～5枚)的風力機模型,通過風洞實驗獲得了起動力矩與轉角的關系曲線,并與用單葉片力矩模擬的結果進行了對比。接著又制作了1臺3葉片小型風力機模型,進行了煙線法可視化實驗,獲得了不同轉角下的風力機周圍流場跡線圖。兩項實驗結果表明:增加葉片個數(shù)可使風力機平均起動性提高,但葉片間相互影響也增加,不同角度下各葉片周圍流場受影響程度不同,對葉片受力和風力機起動力矩的影響程度和趨勢也不同。

為捕獲建筑環(huán)境中蘊藏豐富的高品質風能,結合高聳建筑的高度優(yōu)勢與建筑擴散體強化風速效應,將垂直軸風力機放置于不同建筑擴散體之間,通過數(shù)值模擬的方法研究建筑增強型垂直軸風力機在具有不同實度與不同翼型時的氣動特性.結果表明:建筑擴散體可大幅提升風力機獲能效率,建筑增強型垂直軸風力機較原始垂直軸風力機最大風能利用系數(shù)提升4.47倍,其最佳尖速比位置向右偏移,但其載荷波動較劇烈,且對建筑外廓敏感,其中圓弧形截面建筑可有效減小建筑分離渦造成的影響.隨著實度的增加,建筑增強型垂直軸風力機風能利用系數(shù)先增大后因葉片間干擾而減小,其載荷波動和自啟動性在多葉片時得到明顯改善.對于不同系列的翼型,fxlv152翼型有助于減小疲勞累積損傷,最大厚度較大的naca0021翼型有利于提高風力機的獲能效率,s809非對稱翼型則不適用于建筑增強型垂直軸風力機.數(shù)值結果為建筑增強型垂直軸風力機的工程應用提供部分參考依據(jù).

針對垂直軸風力機自啟動性能差和風能利用率低的問題,提出一種新型自動變槳距垂直軸風力機方案。結合垂直軸風力機葉片攻角變化及翼型氣動力特性,制定了一種最優(yōu)葉片槳距角變化模式。根據(jù)葉素理論,計算得到了采用該變槳距模式在低葉尖速比和高葉尖速比時的葉輪扭矩系數(shù),結果表明,采用該變槳距模式可有效增大垂直軸風力機的啟動力矩以及提高其風能利用系數(shù),為進一步開發(fā)自動變槳距垂直軸風力機奠定了研究基礎。

垂直軸風力發(fā)電機(簡稱垂直軸風力機)無需偏航裝置,結構簡單,維護方便,成本低,發(fā)展前景廣闊。介紹了垂直軸風力機的種類,闡述了垂直軸風力機翼型的設計方法、氣動性能、翼型分析和設計常用軟件以及國內外翼型研究現(xiàn)狀,總結了垂直軸風力機葉片翼型研究中存在的問題,并提出相應的對策,對垂直軸風力機的發(fā)展給出了一些建議。

利用數(shù)值計算方法研究了一種典型的大高徑比垂直軸風力機葉片動態(tài)失速現(xiàn)象。在驗證數(shù)值計算方法可靠的基礎上，結合速度矢量圖和渦量圖，研究了8m／s風速時風力機在不同尖速比下葉片動態(tài)失速現(xiàn)象以及風輪尺寸改變時風輪動態(tài)失速流場及其對風力機功率系數(shù)的影響規(guī)律。研究表明，尖速比過低，增大弦徑比和葉片數(shù)均導致葉片動態(tài)失速和氣流分離呈現(xiàn)加劇趨勢，削弱風力機的氣動性能。對用于城市風力發(fā)電的大高徑比垂直軸風力機，應使其在最佳尖速比下運行，同時控制弦徑比在0．2—0．4之間，葉片數(shù)為3或4，以獲得較好的氣動性能。

針對基于葉素理論對同步變槳垂直軸風力機進行性能分析的問題,研究了葉素理論和雙盤面多流管模型,闡述了這些模型所做的假設和所適用的領域.分析了雙盤面多流管模型的流管寬度特征,指出了該特征即為其在運算中出現(xiàn)不收斂現(xiàn)象的原因,針對該特征進行了改進后,可以明顯改善運算不收斂現(xiàn)象并且提高計算速度.對同步變槳垂直軸風力機進行了理論分析,驗證了其近似最優(yōu)特性,得出了其性能在尖速比0.6附近最優(yōu)的結論.進行了風力發(fā)電實驗,理論結果與實驗數(shù)據(jù)的對比驗證了改進方法的可行性.

介紹了基于動量葉素理論的多流管模型對達里厄型垂直軸風力機進行氣動性能預測的理論計算方法,并進行了算例計算.計算結果與單流管模型的計算結果以及試驗結果的對比分析表明了多流管模型在性能預測方面的優(yōu)越性,其結果更加可信.同時,分析了葉輪實度、雷諾數(shù)以及風剪切效應對風力機性能的影響,并對該計算模型的適用范圍進行了討論分析.

介紹了基于動量葉素理論的多流管模型對達里厄型垂直軸風力機進行氣動性能預測的理論計算方法,并進行了算例計算。計算結果與單流管模型的計算結果以及試驗結果的對比分析表明了多流管模型在性能預測方面的優(yōu)越性,其結果更加可信。同時,分析了葉輪實度、雷諾數(shù)以及風剪切效應對風力機性能的影響,并對該計算模型的適用范圍進行了討論分析。

氣動模型以雙向多流管理論為基礎,考慮風場的風速概率密度分布函數(shù),以風力機發(fā)電機組的年平均輸出功率最大為設計目標,采用改進的粒子群優(yōu)化算法進行全局尋優(yōu)搜索.利用開發(fā)的matlab優(yōu)化設計程序,在額定功率和額定風速一定時,針對特定風場優(yōu)化設計h型垂直軸風力機風輪,得出風力機風輪的最佳匹配參數(shù).與初步設計的風力機相比,優(yōu)化后年平均輸出功率增加了11.8%,且優(yōu)化設計結果在氣動性能方面有明顯的優(yōu)越性,說明該優(yōu)化模型的實用性和有效性.

為研究垂直軸風力機葉片表面結冰的規(guī)律以及結冰對其性能的影響,對采用naca0018翼型的風力機葉片進行了風洞結冰試驗研究。在風洞試驗段內安裝了噴水裝置,室外的寒冷空氣被吸入風洞后與過冷水滴一起吹向葉片并碰撞結冰。測試了不同水滴流量和葉片攻角下的葉表結冰分布及葉片的升阻力系數(shù)變化。在一定攻角范圍內,葉表結冰量隨翼型迎風面積增加而增加;結冰后的阻力系數(shù)增大,升力系數(shù)減小,葉片的氣動特性降低。

以自主研發(fā)的h型垂直軸風力機的翼型為研究對象,分別采用urans、les和des三種不同的湍流模型,在fluent中進行2.5d的非定常計算,對比研究該翼型在發(fā)生深度失速時的升阻性能以及翼型周圍流場的分布.研究結果表明:該翼型的靜態(tài)失速攻角為30°,相比原模型的失速攻角23°有明顯的提高;在翼型的攻角小于靜態(tài)失速攻角時,三種湍流模型模擬計算的升力和阻力的性能相差不多,且和原模型的試驗值比較接近;在翼型發(fā)生深度失速后,des湍流模型的模擬結果不僅具有一定的可靠性,而且能夠捕捉到翼型周圍存在的渦流狀況.

直軸發(fā)電機與水平軸發(fā)電機相比,具有適應性較強、結構簡單、風能利用率較高等諸多優(yōu)點和廣闊的市場應用前景。采用h型垂直軸風力機與水輪機分別連接雙轉子發(fā)電機的內轉子與外轉子,在風力和水流的作用下,風力機與水輪機帶動雙轉子的內外轉子逆向旋轉發(fā)電,并基于solidworks和3dmax等軟件,制作模型與仿真,設計了一種綜合利用風能、洋流能的新型雙轉子發(fā)電機。該新型發(fā)電機可應用于風能與洋流能資源豐富的島嶼及海域,有很大的研究價值與應用前景。

系統(tǒng)地闡述了葉素-動量理論在直葉片垂直軸風力機單流管、多流管、雙致動盤-多流管氣動模型中的應用方法。并根據(jù)水平軸風力機葉素動量模型的推導思路,將風輪葉片的切向速度誘導因子引入垂直軸風力機的經(jīng)典雙致動盤-多流管氣動模型中加以修正,建立了相應的氣動計算模型并用程序仿真實現(xiàn)。與美國sandia國家實驗室的數(shù)據(jù)進行了對比分析,其氣動載荷計算結果與相應實驗與模擬結果符合較好,驗證了該修正模型的實用與可行性。

采用風力葉輪直接驅動盤式發(fā)電機的方式,針對一種垂直軸螺旋式風力葉輪進行旋轉狀態(tài)下的動態(tài)特性試驗研究,分別在自然風條件下和拖車試驗條件下(來流速度為1～12m/s),對試驗裝置的空載轉速、空載電壓進行測定,并對葉尖速比進行統(tǒng)計分析。研究結果表明:在自然風條件下,風速波動大,導致瞬態(tài)采集的風速與風輪轉速不對應;在拖車試驗條件下,來流速度相對穩(wěn)定,且較易控制,風速與輸出電壓的對應關系較為明顯。研究結果為相應的控制系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供了參考。

以符合城市粗糙大氣邊界層的速度剖面為入口邊界條件,采用realizablek-ε湍流模型對北方地區(qū)常見的、順列布置的斜屋頂、金字塔屋頂、三角形屋頂及平屋頂建筑物群頂面上方的流動形式、風速及湍流強度分布特征進行了模擬計算,結果表明:平屋頂最利于屋頂風力機的安裝,其次為金字塔屋頂,最差為斜屋頂和三角形屋頂;對于金字塔屋頂、斜屋頂和三角形屋頂這些非平頂建筑物,不合適安裝低于屋頂最高位置的屋頂風力機,且可優(yōu)先考慮將屋頂風力機安裝于屋檐;為了避開強湍流區(qū)域,以上四種屋頂形狀頂面屋頂風力機的安裝高度不得低于1.1h;在建筑物群內,當安裝高度高于1.2h后,屋頂風力機安裝于第一排建筑物頂面任何位置時都可避開屋頂?shù)膹娡牧鲄^(qū)域,而此排建筑物頂面風速達到來流風速的高度隨著屋頂形狀的不同而不同;當安裝高度高于1.5h后,可忽略屋頂形狀的不同,將屋頂風力機安裝于群內所有建筑物頂面任何位置。

采用移動網(wǎng)格技術,選用sst(剪切力傳輸)k-ω湍流模型,建立了1kw功率的h型垂直軸風力機風輪外流場cfd模型,研究了不同葉片翼型、不同弦長和翼尾加裝gurney襟翼對風力機風能利用系數(shù)的影響。結果表明,300mm弦長的naca0018翼型較為適合h型垂直軸風力機;在尖速比為2.5—3.5時,h型垂直軸風力機的工作效率較高;尖速比為2.8時,高度為1%弦長的gurney襟翼翼型能夠提高風能利用系數(shù)3%。

垂直軸風力發(fā)電機氣動性能研究

垂直軸風力發(fā)電機研究報告 1.垂直軸與水平軸對比 垂直軸風力發(fā)電機與水平軸風力發(fā)電機相比，有其特有的優(yōu)點： ①水平軸風力發(fā)電機組的機艙放置在高高的塔頂，而且是一個可旋轉360 度的活動聯(lián)接機構，這就造成機組重心高，不穩(wěn)定，而且安裝維護不便。垂直軸 風力發(fā)電機組的發(fā)電機，齒輪箱放置在底部，重心低，穩(wěn)定，維護方便，并且降 低了成本。 ②風力發(fā)電機的客戶越來越需要使用壽命長、可靠性高、維修方便的產(chǎn)品。 垂直軸風輪的翼片在旋轉過程中由于慣性力與重力的方向恒定，因此疲勞壽命要 長于水平軸風輪；垂直軸風力發(fā)電機的構造緊湊，活動部件少于水平軸風力機， 可靠性較高；垂直軸系統(tǒng)的發(fā)電機可以放在風輪下部甚至地面上，因而便于維護。 ③風力發(fā)電機由于高度限制和周圍地貌引發(fā)的亂流，常常處于風向和風強變 化劇烈的情況，垂直軸風力發(fā)電機有克服“對風損失”和“疲勞損耗”上有水平 軸風力發(fā)電機不可比的優(yōu)點，且理論風

為了研究流場的空間分布特點,建立了垂直軸潮流水輪機在水槽中的物理模型,采用fluent軟件中的滑移網(wǎng)格技術對模型的流場進行了三維數(shù)值模擬,分析了不同時刻不同截面上模型速度場的變化規(guī)律以及同一時刻不同直線上模型速度場和壓力場的分布特點。結果表明,葉輪在水槽中旋轉,所處位置不同,流場的分布有所差異,流動充分后,流場的變化具有周期性;葉輪內部速度場的變化最為紊亂,葉片周圍的速度發(fā)生急劇變化;葉輪在旋轉過程中產(chǎn)生漩渦,葉片迎流面的壓力急劇上升,背流面的負壓最為強烈。

對風光互補照明系統(tǒng)進行了設計，采用垂直軸風電機、太陽能電池板、智能風光控制器、磷酸鐵鋰電池等部件組成一套完整的照明系統(tǒng)。并對風力發(fā)電機、控制器、電池組等選型和參數(shù)定位做了基本分析。

本文論述的自變葉片風輪,巧妙地利用風力,使逆風面的自變葉片阻力幾可忽略不計,而順風面卻可全額做功。由于垂直軸自變葉片風輪具有制造簡單、維護方便、不產(chǎn)生噪音等優(yōu)點,有替代其他風輪的潛力。