半圆形叶片垂直轴风力机的三维CFD数值模拟

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1、分类号：ＴＰ３９１学校代码：１〇６９７密级：公开学号：２０１１１０１０９＾＾％ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ博士字位论文ＤＯＣＴＯＲＡＬＤＩＯＮＩＳＳＥＲＴＡＴ半圆形叶片垂直轴风力机的三维ＣＦＤ数值模拟学科名称：油气动力学与检测技术作者：张霄指导老师：郑茂盛教授西北大学学位评定委员会二〇一八年DissertationGuideforPostgraduatesofNorthwestUniversityAdissertationsubmittedtoNorthwestUniversity

2、inpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorinOil-GasDynamicsandDetectionTechnologyByZhangXiaoSupervisor:ZhengMaoshengProfessorJune2018摘要风能作为一种可再生的清洁能源，有着巨大的发展潜力。风能的利用正在蓬勃发展，各种新型的风力机理论和特性的研究为提高风能利用率提供了理论支持。目前应用的风力机可以分为：水平轴和垂直轴风力机两大主要类型，这两种风力机以其各自的特性都有着广泛的应用。本文以垂直轴风力机为研究

3、对象，采用计算流体力学软件（CFD）和滑移网格技术、SIMPLE算法，及三维模型分别对三叶片、四叶片、五叶片、六叶片气动性能进行分析，模拟了8m/s的来流风速情况下几种风力机输出功率的变化特性，以及叶片周围的湍动能分布、叶片表面压力分布、叶片附近速度分布等。同时，还利用流固耦合的方法，综合考虑几种风力机在相同风速作用下叶片的响应，为改善风力机设计了提供技术支持。本文的主要研究内容如下：1.研究了五叶片的垂直轴风力机功率随着叶片宽度的变化规律。结果表明，风力机的功率随着叶片宽度的增加呈现出先上升后下降趋势，对于风轮直径为4米叶片高度为1米的风力机，其最大功率出现

4、在叶片宽度为0.8m，叶片转速为17rpm时，此时功率值为212.47W，风能利用系数为15.61％。2.研究了五叶片的垂直轴风力机叶片附近湍动能的分布。从叶片附近湍动能云图可以看出，风场经过叶片附近时，湍动能发生了明显的变化，在叶片外侧迎风面处湍动能较大，而在背风处湍动能较小，叶片宽度为0.8m时，风力机叶片附近的湍动能较小，此时风场对叶片造成的扰动较小，风力机损失的功率也最小。3.研究了五叶片的垂直轴风力机叶片附近空气流速度的分布。从叶片附近空气流速度云图中可以看出，叶片前端弯曲部分空气流速度较大，而在五叶片中心部分形成了一个空气流动的低速区域，从而形成了

5、一个速度差，随着叶片宽度的增加风机叶片附近空气流速度也在逐渐增加，当叶片宽度达到0.86m时由于叶片宽度过大，曲率减小，来流空气很容易绕过风机叶片，而对风机叶片做功较少，叶片宽度在0.82m时气流的利用率较高。4.研究了五叶片的垂直轴风力机叶片附近静压力的分布。从叶片表面附近静压力分布云图可以看出，叶片左侧（迎风面处）压力较大，而在背风面压力相对较小。同时可以看出风力机中心区域压力较低，而且出现了负压区,为减少风力机长期工作I时由于叶片表面压力过大会造成的叶片变形，可以在叶片外侧部分增加叶片厚度。5.对比研究了三、四、五、六叶片数目下，风力机的特性。对于四种不

6、同叶片数目的风力机来说，在外围风场环境相同的情况下，四叶片和六叶片风力机表面的等效压力明显高于五叶片和三叶片。其中六叶片等效压力最高处可达3.121MPa。6.通过对二维与三维模拟结果对比，分析了此三维模型及其规律的合理性。关键字：垂直轴风力机，三维模拟，气动性能，数值模拟，流固耦合IIABSTRACTAsarenewablecleanenergy,windenergyhasgreatpotentialfordevelopment.Theresearchofwindenergyutilizationisdevelopingvigorously,andallki

7、ndsofnewwindturbinetheoriesandcharacteristicsprovidetheoreticalsupportforimprovingtheutilizationrateofwindenergy.Atpresent,thewindturbinescanbedividedintotwomaintypes:horizontalandverticalaxiswindturbines.Thesetwokindsofwindturbinesarewidelyusedintheirrespectivecharacteristics.Takin

8、gtheverticalaxiswin