基于数值仿真的H型垂直轴风力机尾流模型研究

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1、硕士学位论文基于数值仿真的H型垂直轴风力机尾流模型研究RESEARCHONWAKEMODELOFH-TYPEVERTICALAXISWINDTURBINEBASEDONNUMERICALSIMULATION苏昌森哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TK83学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工学硕士学位论文基于数值仿真的H型垂直轴风力机尾流模型研究硕士研究生：苏昌森导师：刘红军教授申请学位：工学硕士学科：结构工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业

2、大学ClassifiedIndex:TK83U.D.C:624DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONWAKEMODELOFH-TYPEVERTICALAXISWINDTURBINEBASEDONNUMERICALSIMULATIONCandidate：SuChangsenSupervisor：Prof.LiuHongjunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Stru

3、cturalEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着全球对风能利用的重视，风力机得到了越来越多的研究和设计。在对风力机进行设计时，其尾流特性是必须掌握的关键性因素。当前在风力机尾流方面进行的研究大多集中在水平轴风力机，也已建立了较为完善的理论；但考虑到垂直轴风力

4、机和水平轴风力机气动性能的巨大差异，不能将水平轴风力机的尾流理论直接用于垂直轴风力机的设计上。为加深垂直轴风力机的研究，促进其工程实际应用，本文利用数值仿真对H型垂直轴风力机尾流进行研究，主要内容包括：对三种常用NACA翼型的气动性能进行分析，模拟翼型表面流动从附着流变为分离流的过程，绘制升力系数及升阻比随攻角的变化曲线、流场风速云图及风速比分布曲线。研究表明，三种翼型的临界攻角均为α=13°，且其升阻比曲线都近似于抛物线，其升力系数及升阻比的变化随着翼型厚度的增加而变得更平缓；同一翼型后缘速度的减小幅度

5、随攻角的增大而变大，其后缘速度分布的对称性随着来流风速的增大而逐渐消失。建立经过适当简化的二维垂直轴风力机数值仿真模型，采用滑移网格对处于不同来流风速、不同旋转速度的风力机进行模拟。计算分析表明，在相同来流风速下，流经风轮的气流随着风轮旋转速度的提高而减少，同时风轮后方的低速区范围也逐渐扩大；在相同旋转速度下，风轮内部的低速区中心随来流风速的增大而逐渐向后方移动；对风轮尾流处的风速曲线分析证实了之前对于低速区变化规律的判断，同时揭示了低速区范围之外的风速的周期性变化规律。分别建立两排和三排风力机分布的风电

6、场数值仿真模型，对每排风力机之间的风速曲线及风电场中每台风力机的风能利用系数进行分析。结果表明，不论何种分布间距，在距风轮旋转中心3.5D范围内的区域受尾流影响比较严重，而在此区域外的风速比随风力机分布间距的增大而不断增大；前方风力机的风能利用系数因尾流发展受到限制而减小，后方风力机的风能利用系数受前方风力机尾流的影响而减小；当风力机分布间距达到临界距离后，风能利用系数停止增大；本文最终给出了不同布置情况下的风能利用系数曲线图，用于设计风电场时确定最佳风力机分布间距。关键词：尾流；速度分布；风能利用系数；

7、数值仿真；H型垂直轴风力机-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAstheglobalbecomemoreandmoreconcernedabouttheutilizationofwindpower,therearemoreandmoreresearchesaboutwindturbine,andwakeperformanceisthekeyfactorthatshouldbeunderstood.Atpresent,mosttheoriesforwakeareonhorizontalaxi

8、swindturbineandtheyarealreadyfairlyimproved,buttheonesforverticalaxiswindturbinearestartedtobepaidmoreattentionduringtheseyearsduetothelimitofitsownfactors.Consideringthethebigdifferenceforaerodynamicperformancebetw