垂直轴风力机三维效应的数值模拟研究

文章针对二维和三维垂直轴风力机的数值模拟的差异,提出了风力机的三维效应是造成模拟差异的主要原因。运用计算流体力学方法对某直线翼垂直轴风力机模型进行了二维和三维的数值模研究。通过比对实验得到的风力机功率系数,发现三维模拟结果与实验值吻合。观察尖速比为1.5时二维和三维垂直轴风力机的速度型分布曲线、流向速度云图和涡量云图,研究了阻塞效应、叶梢涡、支撑结构和塔架对数值模拟结果的影响。研究发现:在二维的数值模拟中,风力机没有受阻塞效应影响,功率系数被严重高估;三维的数值模拟能够模拟出全部的流畅细节,受叶梢涡和支撑结构的影响,风力机的功率系数明显降低。     

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．     

风力机叶片预弯技术的数值模拟

对MATLAB编程得到的1.2MW风力机组叶片采用预弯处理,分别建立未预弯,预弯0.3、0.6及0.9m4种预弯尺寸的叶片并对其采用SST k-ω湍流模型进行数值研究.对模拟结果进行比较分析,得到了预弯尺寸对风力机性能的影响及合理的预弯尺寸.结果表明:未预弯时风力机的输出功率大于设计功率,相对误差为2.48％;预弯0.9m时输出功率小于设计功率,相对误差为3.9％;预弯0.6m时输出功率相对设计功率的误差为0.0006％,风力机的输出功率表现出随叶片预弯尺寸增大而减小的特性,并呈非线性特征.     

垂直轴风力机技术讲座(三) 升力型垂直轴风力机

1 升力型垂直轴风力机概述 近30年来,螺旋桨式水平轴风力机发展迅速,已成为大型商业风力发电的主流.与此同时,以达里厄风力机为代表的升力型垂直轴风力机也受到一些风电发达国家的关注.虽然垂直轴风力机没有像水平轴风力机那样快速发展,但也取得了一定的进展.     

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...     

风力机叶片翼型气动性能数值模拟

采用数值模拟方法对NACA23012,NACA4412,S809,S810等4种常用风力机叶片翼型进行了研究,分析了翼型静止与振荡时的气动性能.随着攻角的增加,静止翼型的升力系数先增大后减小,其阻力系数一直增大,显示出NACA4412翼型具有较好的低风速启动性能;振荡翼型的升力系数随着攻角的变化呈现一个闭合迟滞环曲线,显示出振荡翼型S809的动态失速迟滞效应最为明显.文章参照模拟结果和对比试验数据,验证了数值模拟的可靠性.     

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...     

垂直轴风力机叶轮气动性能计算

分别采用CFD计算软件数值模拟和一维流管模型法对垂直轴风力机气动性能进行计算。数值模拟采用Fluent软件,流场计算使用添加附面层的非结构网格,通过计算得到垂直轴风力机非定常流动特性。通过引入能量损失模型修正,建立新的垂直轴风力机一维流管气动性能计算方法。分别使用两种方法对叶轮的气动性能进行计算对比,结果表明:两种方法所得结果一致性较好,均具有一定的计算准确性。     

海上风力机的数值模拟

针对海上风力机运行的特点,根据NRELS809翼型数据,建立了水平轴风力机的整体模型。采用空气和水的两相流模型模拟海上工况,对模型进行数值计算,得到叶片绕流的速度分布和压力分布,并对两相流和单相流的变化情况进行了对比,最后对塔架的压力分布进行计算说明。研究结果表明:在两相流工况下,风轮叶片具有较高的功率系数,但该工况对叶片的强度、材料要求较高;气流流过叶片后均存在速度亏损,并在1倍风轮半径处趋于稳定;风轮对塔架的压力分布产生一定影响。     

基于场景重构的风力机叶片损伤热效应数值模拟研究

为了更深入地了解不同损伤类型产生可观察热对比的驱动机制,该文在风力机叶片损伤红外热像检测室外试验的基础上,采用热传导理论,对沙蚀磨损、裂纹和内部胶粘损伤的热效应开展基于场景重构的数值模拟研究.从热对比效果和多点温度测量2个方面对比验证,均表现出较好的一致性,表明了模型的正确性和方法的可行性.     

有弯度翼型垂直轴风力机的数值模拟研究

应用计算流体动力学有限体积法SIMPLE算法,配合SST k-ω湍流模型和滑动网格技术模拟分析了有弯度翼型4叶片垂直轴风力机的气动特性,以其作为有弯度翼型垂直轴风力机设计的参考依据。研究结果发现,在入口流速为10 m/s,尖速比为1.6时,该种风力机单个叶片的瞬时力矩系数为-0.03～0.18,并且在一个转动周期内正的瞬时力矩系数历时较长;整个风轮的的力矩系数在尖速比为1.6左右时达到最大值,功率系数在尖速比为1.7左右时达到最大值。     

叶片交叠布置垂直轴风力机气动性能研究

对麦克马斯特大学H型垂直轴风力机进行改进,交错布置其叶片,设计了一种叶片交叠布置垂直轴风力机。基于CFD方法计算典型工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率,结果表明,在相同几何尺寸和工况下叶片交叠布置垂直轴风力机的功率系数高于麦克马斯特大学H型垂直轴风力机,在尖速比为1.6时,最大功率系数达到0.338。最后分析了风场的涡强和风速分布特性,得出叶片交叠布置对于减少尾流影响具有显著作用的结论。     

Effect of blade number on performance of drag type vertical axis wind turbine

The effect of blade number on performance of drag type vertical axis wind turbine (VAWT) is studied by Ansys numerical simulation, it involves 3-blade, 5-blade and 6-blade VAWTs. The optimized width of blade for each VAWT at maximum power efficiency is obtained, and simulation for the wind turbine with different number of blade is conducted for the VAWTs with turbine radius of 2 m at the inlet wind speed 8 m/s. By simulations, it gets the evolution curve of torque with respect to time, and the cyclical characteristics for these wind turbines. The results show that the maximum power efficiency and the stability of the wind turbine increase with the number of blade of the wind turbine, however the optimal d/D decreases with the number of blade of the wind turbine. The maximum power efficiencies are 20.44, 24.30 and 26.82% for 3-blade, 5-blade and 6-blade wind turbines, and the correspondingly optimal d/D are 0.66, 0.40 and 0.35, respectively. While the optimal rotational rate of turbine decreases with blade number.     

Optimal angle of attack for untwisted blade wind turbine

The numerical simulation of horizontal axis wind turbines (HAWTs) with untwisted blade was performed to determine the optimal angle of attack that produces the highest power output. The numerical solution was carried out by solving conservation equations in a rotating reference frame wherein the blades and grids were fixed in relation to the rotating frame. Computational results of the 12° pitch compare favorably with the field experimental data of The National Renewable Laboratory (USA), for both inviscid and turbulent conditions. Numerical experiments were then conducted by varying the pitch angles and the wind speeds. The power outputs reach maximum at pitch angles: 4.12°, 5.28°, 6.66° and 8.76° for the wind speeds 7.2, 8.0, 9.0 and 10.5 m/s, respectively. The optimal angles of attack were then obtained from the data.     

高速双轮竖轴风力发电机

<正>一前言据2009年8月11日《科技日报》报道,南非瓦尔理工大学创新中心主任扬·约斯特教授发明了一种新型结构的垂直轴风力发电机。约斯特称,与一般垂直轴风力发电机不同,他的新型设计使叶片     

风力机三维旋转叶片非定常气动特性数值模拟研究

文章基于CFD方法对NREL Phase VI风机的气动特性进行了数值模拟。根据NREL定桨变速的实验工况,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),基于k-ωSST湍流模型分析了不同风速工况下的风机叶片流场特性,得到了气流沿叶片展向的流动分布。通过与NREL NASA-Ames风洞实验数据的对比,在低风速时采用CFD仿真的计算结果与实验结果更为吻合;在失速区域,由于气流分离的影响,CFD仿真的计算结果与实验结果对比差异较明显。CFD仿真大体上能够较好地预测实验风机的性能,分析动态失速现象发生的原因,揭示叶片在三维旋转效应下的非定常气动特性。     

直线翼垂直轴风力机静态叶片结冰的观测与分析

设计制作了采用NACA0015翼型的直线翼垂直轴风力机叶片,安装于寒冷地区的室外.冬季,对雨雪等在静止叶片表面的附着情况进行了现场观测.将获得到的叶片表面结霜和结冰(霜状冰和瘤状冰)的观测结果与温度、湿度、风速和风向等气象条件进行了对比分析,研究了静止叶片表面结霜和结冰的产生机理与气象条件的影响关系.针对翼型表面瘤状结冰情况下翼型改变前后的静态升阻力系数进行了数值模拟计算,分析了翼型改变对升阻力特性和静态特性的影响.     

导叶式升力型垂直轴风力机的数值研究

分析传统H型Darrieus风力机整体气动特性低的原因,从改善风力机极小攻角处极差气动特性出发,提出一种在极小攻角处添加导叶的导叶式升力型垂直轴风力机。采用非定常RNG湍流模型和滑移网格技术,对导叶式升力型垂直轴风力机的空气动力场进行二维数值模拟。比较分析0°方位角导叶对叶轮流场、叶片表面压差系数及叶片力矩的影响。研究结果表明,导叶改善了叶片表面负压差区,使叶片表面压差系数提高了56.2%,叶轮转矩增加了25.4%,有效地提高了风力机整体气动性能。     

风机叶片材料的冲蚀磨损模拟研究

通过气固两相流实验考查了风机叶片材料在不同风速、不同粒径下的冲蚀磨损率。采用FLUENT软件对相应实验条件进行数值模拟表明:随着风速的提高,磨粒所具有的动能与切应力也随之增大,当风速由7.9 m/s提高到17.4 m/s时,达到最大冲蚀率为0.004 32 kg/(m2·s);冲蚀率随着粒径的增大呈现先上升后下降的趋势,当粒径为0.109~0.212 mm时,磨粒对试样的最大冲蚀率为0.001 51 kg/(m2·s)。模拟验证了实验所得的冲蚀规律,并预测了各实验条件下的最大理论冲蚀率。