氣流繞流對(duì)某科技館屋頂垂直軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的影響

垂直軸風(fēng)力機(jī)中升力型風(fēng)機(jī)效率高但一般不能自啟動(dòng),阻力型風(fēng)機(jī)效率低但易啟動(dòng)。根據(jù)兩種不同類型的垂直軸風(fēng)力機(jī)各自的特點(diǎn),采用超越離合器作為連接件,設(shè)計(jì)制作了一種由darrieus風(fēng)力機(jī)和savonius風(fēng)力機(jī)組成的組合式風(fēng)機(jī)模型。在對(duì)有無加裝s型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了啟動(dòng)風(fēng)速、輸出功率的性能對(duì)比后發(fā)現(xiàn),加裝s型后的啟動(dòng)風(fēng)速更低,而輸出功率則差別不大。

為探明直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片個(gè)數(shù)對(duì)其起動(dòng)性的影響,設(shè)計(jì)制作了可更換葉片個(gè)數(shù)(1～5枚)的風(fēng)力機(jī)模型,通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)獲得了起動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線,并與用單葉片力矩模擬的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。接著又制作了1臺(tái)3葉片小型風(fēng)力機(jī)模型,進(jìn)行了煙線法可視化實(shí)驗(yàn),獲得了不同轉(zhuǎn)角下的風(fēng)力機(jī)周圍流場(chǎng)跡線圖。兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:增加葉片個(gè)數(shù)可使風(fēng)力機(jī)平均起動(dòng)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(chǎng)受影響程度不同,對(duì)葉片受力和風(fēng)力機(jī)起動(dòng)力矩的影響程度和趨勢(shì)也不同。

為捕獲建筑環(huán)境中蘊(yùn)藏豐富的高品質(zhì)風(fēng)能,結(jié)合高聳建筑的高度優(yōu)勢(shì)與建筑擴(kuò)散體強(qiáng)化風(fēng)速效應(yīng),將垂直軸風(fēng)力機(jī)放置于不同建筑擴(kuò)散體之間,通過數(shù)值模擬的方法研究建筑增強(qiáng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)在具有不同實(shí)度與不同翼型時(shí)的氣動(dòng)特性.結(jié)果表明:建筑擴(kuò)散體可大幅提升風(fēng)力機(jī)獲能效率,建筑增強(qiáng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)較原始垂直軸風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)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(dòng)較劇烈,且對(duì)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(shí)度的增加,建筑增強(qiáng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)先增大后因葉片間干擾而減小,其載荷波動(dòng)和自啟動(dòng)性在多葉片時(shí)得到明顯改善.對(duì)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(fēng)力機(jī)的獲能效率,s809非對(duì)稱翼型則不適用于建筑增強(qiáng)型垂直軸風(fēng)力機(jī).數(shù)值結(jié)果為建筑增強(qiáng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)的工程應(yīng)用提供部分參考依據(jù).

針對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)性能差和風(fēng)能利用率低的問題,提出一種新型自動(dòng)變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)方案。結(jié)合垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片攻角變化及翼型氣動(dòng)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(jì)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(shí)的葉輪扭矩系數(shù),結(jié)果表明,采用該變槳距模式可有效增大垂直軸風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)力矩以及提高其風(fēng)能利用系數(shù),為進(jìn)一步開發(fā)自動(dòng)變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)奠定了研究基礎(chǔ)。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱垂直軸風(fēng)力機(jī))無需偏航裝置,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,成本低,發(fā)展前景廣闊。介紹了垂直軸風(fēng)力機(jī)的種類,闡述了垂直軸風(fēng)力機(jī)翼型的設(shè)計(jì)方法、氣動(dòng)性能、翼型分析和設(shè)計(jì)常用軟件以及國內(nèi)外翼型研究現(xiàn)狀,總結(jié)了垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片翼型研究中存在的問題,并提出相應(yīng)的對(duì)策,對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)展給出了一些建議。

利用數(shù)值計(jì)算方法研究了一種典型的大高徑比垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象。在驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法可靠的基礎(chǔ)上，結(jié)合速度矢量圖和渦量圖，研究了8m／s風(fēng)速時(shí)風(fēng)力機(jī)在不同尖速比下葉片動(dòng)態(tài)失速現(xiàn)象以及風(fēng)輪尺寸改變時(shí)風(fēng)輪動(dòng)態(tài)失速流場(chǎng)及其對(duì)風(fēng)力機(jī)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(dǎo)致葉片動(dòng)態(tài)失速和氣流分離呈現(xiàn)加劇趨勢(shì)，削弱風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能。對(duì)用于城市風(fēng)力發(fā)電的大高徑比垂直軸風(fēng)力機(jī)，應(yīng)使其在最佳尖速比下運(yùn)行，同時(shí)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(dòng)性能。

針對(duì)基于葉素理論對(duì)同步變槳垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)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(shè)和所適用的領(lǐng)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(yùn)算中出現(xiàn)不收斂現(xiàn)象的原因,針對(duì)該特征進(jìn)行了改進(jìn)后,可以明顯改善運(yùn)算不收斂現(xiàn)象并且提高計(jì)算速度.對(duì)同步變槳垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了理論分析,驗(yàn)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(jié)論.進(jìn)行了風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn),理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了改進(jìn)方法的可行性.

介紹了基于動(dòng)量葉素理論的多流管模型對(duì)達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)的理論計(jì)算方法,并進(jìn)行了算例計(jì)算.計(jì)算結(jié)果與單流管模型的計(jì)算結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析表明了多流管模型在性能預(yù)測(cè)方面的優(yōu)越性,其結(jié)果更加可信.同時(shí),分析了葉輪實(shí)度、雷諾數(shù)以及風(fēng)剪切效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響,并對(duì)該計(jì)算模型的適用范圍進(jìn)行了討論分析.

介紹了基于動(dòng)量葉素理論的多流管模型對(duì)達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)的理論計(jì)算方法,并進(jìn)行了算例計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與單流管模型的計(jì)算結(jié)果以及試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析表明了多流管模型在性能預(yù)測(cè)方面的優(yōu)越性,其結(jié)果更加可信。同時(shí),分析了葉輪實(shí)度、雷諾數(shù)以及風(fēng)剪切效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響,并對(duì)該計(jì)算模型的適用范圍進(jìn)行了討論分析。

氣動(dòng)模型以雙向多流管理論為基礎(chǔ),考慮風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速概率密度分布函數(shù),以風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組的年平均輸出功率最大為設(shè)計(jì)目標(biāo),采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行全局尋優(yōu)搜索.利用開發(fā)的matlab優(yōu)化設(shè)計(jì)程序,在額定功率和額定風(fēng)速一定時(shí),針對(duì)特定風(fēng)場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)h型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪,得出風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的最佳匹配參數(shù).與初步設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)相比,優(yōu)化后年平均輸出功率增加了11.8%,且優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果在氣動(dòng)性能方面有明顯的優(yōu)越性,說明該優(yōu)化模型的實(shí)用性和有效性.

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

以自主研發(fā)的h型垂直軸風(fēng)力機(jī)的翼型為研究對(duì)象,分別采用urans、les和des三種不同的湍流模型,在fluent中進(jìn)行2.5d的非定常計(jì)算,對(duì)比研究該翼型在發(fā)生深度失速時(shí)的升阻性能以及翼型周圍流場(chǎng)的分布.研究結(jié)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(shí),三種湍流模型模擬計(jì)算的升力和阻力的性能相差不多,且和原模型的試驗(yàn)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(jié)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(jī)與水平軸發(fā)電機(jī)相比,具有適應(yīng)性較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、風(fēng)能利用率較高等諸多優(yōu)點(diǎn)和廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。采用h型垂直軸風(fēng)力機(jī)與水輪機(jī)分別連接雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子,在風(fēng)力和水流的作用下,風(fēng)力機(jī)與水輪機(jī)帶動(dòng)雙轉(zhuǎn)子的內(nèi)外轉(zhuǎn)子逆向旋轉(zhuǎn)發(fā)電,并基于solidworks和3dmax等軟件,制作模型與仿真,設(shè)計(jì)了一種綜合利用風(fēng)能、洋流能的新型雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)。該新型發(fā)電機(jī)可應(yīng)用于風(fēng)能與洋流能資源豐富的島嶼及海域,有很大的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用前景。

系統(tǒng)地闡述了葉素-動(dòng)量理論在直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)單流管、多流管、雙致動(dòng)盤-多流管氣動(dòng)模型中的應(yīng)用方法。并根據(jù)水平軸風(fēng)力機(jī)葉素動(dòng)量模型的推導(dǎo)思路,將風(fēng)輪葉片的切向速度誘導(dǎo)因子引入垂直軸風(fēng)力機(jī)的經(jīng)典雙致動(dòng)盤-多流管氣動(dòng)模型中加以修正,建立了相應(yīng)的氣動(dòng)計(jì)算模型并用程序仿真實(shí)現(xiàn)。與美國sandia國家實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,其氣動(dòng)載荷計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果符合較好,驗(yàn)證了該修正模型的實(shí)用與可行性。

采用風(fēng)力葉輪直接驅(qū)動(dòng)盤式發(fā)電機(jī)的方式,針對(duì)一種垂直軸螺旋式風(fēng)力葉輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究,分別在自然風(fēng)條件下和拖車試驗(yàn)條件下(來流速度為1～12m/s),對(duì)試驗(yàn)裝置的空載轉(zhuǎn)速、空載電壓進(jìn)行測(cè)定,并對(duì)葉尖速比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。研究結(jié)果表明:在自然風(fēng)條件下,風(fēng)速波動(dòng)大,導(dǎo)致瞬態(tài)采集的風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速不對(duì)應(yīng);在拖車試驗(yàn)條件下,來流速度相對(duì)穩(wěn)定,且較易控制,風(fēng)速與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系較為明顯。研究結(jié)果為相應(yīng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)形式、風(fēng)速及湍流強(qiáng)度分布特征進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果表明:平屋頂最利于屋頂風(fēng)力機(jī)的安裝,其次為金字塔屋頂,最差為斜屋頂和三角形屋頂;對(duì)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(fēng)力機(jī),且可優(yōu)先考慮將屋頂風(fēng)力機(jī)安裝于屋檐;為了避開強(qiáng)湍流區(qū)域,以上四種屋頂形狀頂面屋頂風(fēng)力機(jī)的安裝高度不得低于1.1h;在建筑物群內(nèi),當(dāng)安裝高度高于1.2h后,屋頂風(fēng)力機(jī)安裝于第一排建筑物頂面任何位置時(shí)都可避開屋頂?shù)膹?qiáng)湍流區(qū)域,而此排建筑物頂面風(fēng)速達(dá)到來流風(fēng)速的高度隨著屋頂形狀的不同而不同;當(dāng)安裝高度高于1.5h后,可忽略屋頂形狀的不同,將屋頂風(fēng)力機(jī)安裝于群內(nèi)所有建筑物頂面任何位置。

采用移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),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(fēng)力機(jī)風(fēng)輪外流場(chǎng)cfd模型,研究了不同葉片翼型、不同弦長(zhǎng)和翼尾加裝gurney襟翼對(duì)風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)的影響。結(jié)果表明,300mm弦長(zhǎng)的naca0018翼型較為適合h型垂直軸風(fēng)力機(jī);在尖速比為2.5—3.5時(shí),h型垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作效率較高;尖速比為2.8時(shí),高度為1%弦長(zhǎng)的gurney襟翼翼型能夠提高風(fēng)能利用系數(shù)3%。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)性能研究

本文論述的自變?nèi)~片風(fēng)輪,巧妙地利用風(fēng)力,使逆風(fēng)面的自變?nèi)~片阻力幾可忽略不計(jì),而順風(fēng)面卻可全額做功。由于垂直軸自變?nèi)~片風(fēng)輪具有制造簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、不產(chǎn)生噪音等優(yōu)點(diǎn),有替代其他風(fēng)輪的潛力。

風(fēng)能作為一種綠色能源,己經(jīng)成為一種新興的能源形式,同時(shí)太陽能因諸多優(yōu)勢(shì)也得到廣泛的應(yīng)用,但兩者每天的發(fā)電量受天氣的影響很大。由于太陽能與風(fēng)能互補(bǔ)性強(qiáng),如何充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì),構(gòu)造風(fēng)光互補(bǔ)的新型能源系統(tǒng)有很好的理論及實(shí)際意義。本文對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),采用垂直軸風(fēng)電機(jī)、太陽能電池板、智能風(fēng)光控制器、磷酸鐵鋰電池等部件組成一套完成的照明系統(tǒng)。論文主要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制器、電池組等選型和參數(shù)定位做了基本分析。

葉片是風(fēng)力發(fā)電裝置的關(guān)鍵和核心部分,玻璃鋼是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的首選材料,玻璃鋼葉片多采用拉擠工藝的方法生產(chǎn)。葉片的質(zhì)量與材料的配方、加熱溫度、拉擠速度和拉機(jī)過程中的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性有關(guān),設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的拉擠設(shè)備是保證葉片質(zhì)量的關(guān)鍵。

通過研究風(fēng)力機(jī)尾流速度型的分布形態(tài),引入二項(xiàng)分布方程并將其轉(zhuǎn)化為高斯分布方程,基于garradhassan的風(fēng)力機(jī)尾流實(shí)驗(yàn),建立一個(gè)預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)遠(yuǎn)尾流速度型的工程模型。按照建模的實(shí)驗(yàn)條件,對(duì)引入致動(dòng)盤方法的流場(chǎng)求解附帶可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型的軸對(duì)稱不可壓navier-stokes方程,對(duì)比分析cfd計(jì)算結(jié)果和建模結(jié)果。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和cfd結(jié)果的比較分析,驗(yàn)證本風(fēng)力機(jī)尾流模型的有效性。