基于正交试验凹槽-襟翼垂直轴风力机数值研究

为改善垂直轴风力机气动特性,对凹槽-襟翼开展研究。以NACA0021翼型为研究对象,采用正交试验设计对格尼襟翼高度、格尼襟翼位置及凹槽直径等参数进行组合,通过数值计算对垂直轴风力机气动性能与流场结构进行研究,分析凹槽-襟翼流动控制机理及对垂直轴风力机的作用效果。结果表明：格尼襟翼高度是影响垂直轴气动性能的主要因素,且襟翼高度为1.75%c、位置为1.50c及凹槽直径为1.50%c时效果最佳;同时,凹槽-襟翼通过改变尾缘库塔条件以加速翼型吸力面流体流动,从而改善流动分离,增加翼型表面压差,提高垂直轴风力机气动性能;凹槽-襟翼在低尖速比时对垂直轴风力机作用效果较明显,当尖速比为2.33时,凹槽-襟翼垂直轴风力机平均风能利用系数较原始翼型最大可提高35.82%。     

基于格尼襟翼的多机组垂直轴风力机性能增效研究

为探究格尼襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响,结合TSST湍流模型对直线翼垂直轴风力机展开数值模拟研究.结果表明:低尖速比下,格尼襟翼可显著提升垂直轴风力机的气动性能,但在高尖速比下会降低气动性能;垂直轴风力机组间流体速度随尖速比的增大而增加,此高速流体可有效提升机组风能利用系数;因上游风力机组间流体加速作用,下游风力机在各尖速比下的气动性能均高于原始单风力机,且当尖速比为2.72时,下游风力机最大平均力矩比原始单风力机提高2 0.3％;上游风力机组安装格尼襟翼可有效提高机组间流体加速效果,使下游风力机迎风速度更高,尖速比为2.51时,格尼襟翼风力机组的下游风力机平均力矩比原始单风力机和原始格尼襟翼风力机分别提高36.5％和24％.     

改进型格尼襟翼对不同实度的垂直轴风力机气动性能的影响

为了提升垂直轴风力机获能效率,为风力机叶片加装格尼襟翼并对格尼襟翼进行改进,通过数值模拟研究了两种格尼襟翼对不同实度的垂直轴风力机气动性能的影响。研究发现：当尖速比为3.1、实度为0.250时,原始格尼襟翼可提升10.92%的风能利用系数,改进型格尼襟翼可提升17.92%。在不同实度,改进型格尼襟翼在高尖速比时可较好地提升气动性能,而原始格尼襟翼在低尖速比时可较好地提升气动性能。当实度增大时,由于叶片间尾迹影响加剧而导致风能利用系数下降,但载荷波动情况得到改善;当实度为0.416时,载荷波动最小。     

主动式凹槽-襟翼对垂直轴风力机气动性能影响研究

为提高垂直轴风力机气动效率,提出在翼型尾缘布置凹槽-襟翼结构,并通过主动控制实现凹槽-襟翼结构随风轮相位角变化的机制。基于该控制机制,以NACA0021翼型为研究对象,采用CFD方法进行数值模拟,研究主动式凹槽-襟翼对垂直轴风力机气动性能的影响。结果表明:与静态凹槽-襟翼结构相比,主动式凹槽-襟翼能有效提高垂直轴风力机风能利用率,同时降低最佳尖速比风轮转速,有利于提高运行稳定性,增大低尖速比下启动力矩以及降低气动噪声;当尖速比大于最佳尖速比时,主动式凹槽-襟翼对风力机气动性能提升效果逐渐减弱。     

全向导叶作用下叶片实度对垂直轴风力机气动特性的影响

为研究全向导叶作用下不同实度对垂直轴风力机气动性能的影响,通过改变叶片数及弦长调整实度并分析其对全向导叶垂直轴风力机气动性能的作用。结果表明：全向导叶使垂直轴风力机周围流体提速效果显著,最大风能利用率和力矩系数较原始垂直轴风力机分别提高41.6%和25%;随实度增大时,全向导叶垂直轴风力机最佳尖速比降低;改变弦长时,风能利用率峰值随弦长增大呈现先增后减的趋势,且在小尖速比工况下,高实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较高,最大可达0.192;改变叶片数时,风能利用率峰值随叶片数增多而降低,且大尖速比下的低实度全向导叶垂直轴风力机力矩系数较大,但不同实度的全向导叶垂直轴风力机最大力矩系数相差较小。     

尾缘主动式凹槽-襟翼垂直轴风力机气动性能研究

针对垂直轴风力机实际运行过程中叶片攻角随相位角周期性变化引发的气动性能降低问题,提出主动式凹槽-襟翼结构.以NACA0021翼型为研究对象,采用计算流体力学方法对不同控制策略下凹槽-襟翼结构进行了数值分析.结果 表明:与传统固定凹槽-襟翼相比,垂直轴风力机叶片尾缘布置主动式凹槽-襟翼时气动效率最高可提升36.78％;凹槽-襟翼结构可提高低尖速比下叶片平均转矩,并提高自启动性能;当超过最佳尖速比时,整机气动性能逐渐降低,且主动式凹槽-襟翼对风力机气动性能的提升效果随着尖速比继续增大而下降.     

翼型型线改变的三叶片H型垂直轴风力机气动特性研究

为改善H型垂直轴风力机(VAWT)的气动特性,文章研究了6种翼型型线改变后的翼型对H型VAWT气动特性的影响,并进行了数值模拟计算和风洞试验。风洞试验验证了模拟计算的结果,证明了型线改变后的风力机对提高气动性有积极的作用。试验结果表明:1波浪型风机和Dimple型风机均可在一定叶尖速比(λ)范围内提高风力机的风能利用率,其中1波浪型风力机在低λ下最高可提高风能利用率13.76%,其单叶片切向力在下游区明显增大;Dimple型风力机在高λ下最高可提高风能利用率14.6%,其单叶片切向力在上游区明显增大。两种改型后的翼型均可改善流动分离,并提高VAWT的气动性能。     

格尼襟翼垂直轴风力机风场研究

为研究垂直轴风力机风场中机组气动性能受格尼襟翼的影响,采用TSST湍流模型对直线翼垂直轴风力机进行数值模拟研究.结果表明:风场上游风力机组尖速比越大,机组间流体加速效果越显著,使风力机组气动性能高于单风力机;在中低尖速比时,格尼襟翼可有效提升单个风力机气动效率,在尖速比较高时,提升效果并不明显;在风力机组中安装格尼襟翼...     

垂直轴风力机两种翼型气动性能比较研究

叶片是风力机最重要的组成部分,在不同的风能资源情况下,翼型的选择对垂直轴风力机气动特性有着重要的影响。文章分别以NACA0018翼型(对称翼型)和NACA4418翼型(非对称翼型)建立3叶片H型垂直轴风力机二维仿真模型。应用数值模拟的研究方法,从功率系数、单个叶片切向力系数等方面比较两种风力机模型在不同叶尖速比下的气动特性,并采用风洞实验数据验证了流场计算的准确性。CFD计算结果表明:在低叶尖速比下,NACA4418翼型风力机气动特性优于NACA0018翼型风力机,适用于低风速区域;在高叶尖速比下,NACA0018翼型风力机气动特性较好,适用于高风速地区。而且在高叶尖速比时,NACA0018翼型在上风区时,切向力系数平均值要高于NACA4418翼型,在下风区时,NACA418翼型切向力系数平均值高。该研究可为小型垂直轴风力机翼型的选择提供参考。     

风透镜优化构型对垂直轴风力机气动性能研究

风透镜是一种应用于垂直轴风力机的新型外部辅助装置,为探究风透镜结构对垂直轴风力机气动性能的影响,通过数值模拟的方法,结合贝塞尔曲线对其构型进行优化设计。结果表明：风透镜具有较好的聚风性能,有助于垂直轴风力机气动性能的提升,风透镜结构参数中扩散器半开角对风力机气动性能影响较大,法兰次之。风透镜优化构型后可进一步提升垂直轴风力机的风能利用系数和力矩系数,风能利用系数最高可达参考垂直轴风力机的8.60倍,并使垂直轴风力机在更大叶尖速比工况下仍保持较高运行效率,进一步提升其有效运行工况范围。     

垂直轴风力机改进翼型气动及功率特性研究

为提高垂直轴风力机的风能利用率,基于CFD数值模拟技术,分析了常用典型垂直轴风力机翼型的气动及功率特性,并以NACA0012翼型为基础对其进行改进。对比改进前后翼型表明,增大翼型厚度可降低升阻比,增大翼型弯度可增强其失速特性;厚尾缘翼型、升阻互补型翼型可分别降低翼型失速性能、增加启动力矩,其中厚尾缘翼型的H型垂直轴风力机的功率系数较大,可提高风能利用率,为翼型优化设计提供了新思路。     

垂直轴风力机叶片变桨距运转模式研究

针对垂直轴风力机自启动性能差和风能利用率低的问题,提出一种新型自动变桨距垂直轴风力机方案。结合垂直轴风力机叶片攻角变化及翼型气动力特性,制定了一种最优叶片桨距角变化模式。根据叶素理论,计算得到了采用该变桨距模式在低叶尖速比和高叶尖速比时的叶轮扭矩系数,结果表明,采用该变桨距模式可有效增大垂直轴风力机的启动力矩以及提高其风能利用系数,为进一步开发自动变桨距垂直轴风力机奠定了研究基础。     

分流导叶垂直轴风力机气动性能研究

为提高垂直轴风力机气动性能,提出一种随相位角变化而改变相对夹角的分流导叶结构。以NACA0021为基础翼型,采用计算流体力学方法对分流导叶作用下垂直轴风力机风能利用系数、单叶片瞬时转矩、压力系数及速度场进行数值分析。结果表明：静态和动态分流导叶均可提高垂直轴风力机气动性能,且动态分流导叶提升效果更为显著;相较于静态分流导叶,动态分流导叶垂直轴风力机在尖速比为2.33时风能利用系数最高可提升23%,在尖速比为2.03时静态分流导叶垂直轴风力机较原始垂直轴风力机风能利用系数提高37%;分流导叶也可使最佳尖速比前移,稳定叶片转矩波动,提升垂直轴风力机的运行稳定性。     

定常吸气对垂直轴风力机性能影响研究

定常吸气装置可有效提高垂直轴风力机气动性能,改善风轮流场结构及翼型动态失速特性。基于CFD方法对垂直轴风力机进行数值模拟,研究不同叶尖速比（TSR）下定常吸气对风力机气动及流场特性的影响,对比分析原始风力机及定常吸气作用下的风能利用率、整机转矩系数及涡量分布。结果表明：不同尖速比下定常吸气均可显著提高风力机气动性能,减小风轮载荷波动,降低最佳叶尖速比,提高风力机运行稳定性;叶尖速比为2.51时,风能利用系数增加34.69%;定常吸气削弱了风轮叶片间尾涡脱落的影响,抑制叶片前缘涡的形成,减缓了叶片的动态失速现象,对风轮流场有良好的改善效果。     

襟翼对垂直轴风力机性能影响的数值模拟

采用能够模拟风力机转子与定子间相互作用的滑移网格技术对NACA0015三叶片直翼式垂直轴风力机进行了二维非定常数值模拟,在此基础上对翼型上、下表面分别加装高度为2％翼型弦长的不同形式襟翼,对4种襟翼改型进行了转矩系数和功率系数的研究并与原型进行了对比．结果表明：NACA0015三叶片直翼式垂直轴风力机在尖速比为3．5时达到最大输出功率;内侧格尼襟翼比原型的输出功率最大可提高约4％;流线型襟翼对降低风力机的运行阻力起到一定作用;当尖速比提高到4以后,由于风力机的运行阻力大幅度增加,叶片加装襟翼反而会降低垂直风力机的功率．     

叶片数与弦长配比对垂直轴风力机性能的影响

垂直轴风力机的叶片数、弦长和风轮半径是影响其实度的因素。在实度和风轮半径一定的情况下,叶片数和弦长之间存在耦合关系。文章应用CFD仿真方法,从功率系数、力矩系数、涡量等方面分析了在实度保持不变的情况下,叶片数和弦长组合对垂直轴风力机性能的影响。研究表明:当保持实度不变时,不同的叶片数和弦长配比可以影响风力机的性能;通过调整其配比,可在实度不变的情况下,降低力矩波动,获得最优风能利用率。     

格尼襟翼对DU93-W-210翼型气动性能影响的实验研究

为研究格尼襟翼对风力机专用翼型DU93-W-210气动性能的影响,在有/无格尼襟翼情况下进行风洞实验(雷诺数为1×10~6)。实验研究高度为1.5%C、2.0%C、2.5%C格尼襟翼增升效果。研究表明:格尼襟翼能有效提高翼型的升力系数,襟翼高度越高,升力系数越大,相应的阻力系数也有所增大。格尼襟翼在中、高升力系数情况下效果较好;高度为1.5%C的格尼襟翼可获得较大升阻比。为了进一步减少阻力,对平板格尼襟翼开30°、45°、60°锯齿。结果表明,平板襟翼开锯齿能减小阻力;30°锯齿襟翼能在较大范围内增大升阻比,增升效果最佳。     

吸气控制策略对垂直轴风力机气动性能影响研究

针对垂直轴风力机复杂气动特性,将吸气孔置于风力机翼型上下表面,提出不同吸气控制策略以改善其气动性能。基于CFD方法,研究不同叶尖速比下吸气策略对风力机风能利用率、叶片切向力系数及流场特性的影响,综合考虑能量消耗与风力机输出功率。结果表明：提出的3种控制策略在低叶尖速比下均能大幅提升整机气动效率。效果最佳的迎、背风区交替吸气策略可显著推迟分离点,延缓翼型动态失速发生,并减少分离涡周期性脱落造成的损失。此外,该策略对动态尾迹效应有良好的控制效果,同时降低整机转矩波动幅值,消除中低叶尖速比下风轮负转矩,从而提高获能效率且延长风力机使用寿命。     

摇摆式垂直轴风力机气动特性数值模拟

针对垂直轴风力机无需对风,湍流风风向不断变化的情况,提出转轮轴向力随风向摇摆的垂直轴风力机,利用摇摆产生的切向风和来流风共同作用下的风能,提高气动性能.采用RNG k-ε湍流模型对三叶片摇摆式风力机进行模拟,研究风向变化的周期、幅角以及摇摆迟滞时间对固定式和摇摆式垂直轴风力机力矩系数的影响规律.结果表明:与固定式垂直轴...     

不同扩散体对建筑增强型垂直轴风力机气动性能的影响

为研究不同建筑扩散体对建筑增强型直线翼垂直轴风力机的气动性能与流场结构的影响,采用CFD数值模拟的方法,以NACA0021为叶片翼型的多叶片建筑增强型直线翼垂直轴风力机为对象,研究其在不同建筑扩散体及不同尖速比下的气动性能。结果表明:建筑增强型直线翼垂直轴风力机存在最佳尖速比;不同建筑扩散体对提高直线翼垂直轴风力机风能利用率影响较大,在所选取的8种建筑扩散体模型中,梯形建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机在尖速比为4.62时标准化风能利用率可达1.560 7,而A1翼型式建筑扩散体下的直线翼垂直轴风力机前后压差较小,风能难以利用。