【正文】 的差異。 圖 21 Wilson 的模型中渦片分布示意圖 1979 年， Strickland 等人提出了 VDART 模型，該模型也是基于升力線理論。 渦方法盡管能有效地描述流場細節(jié)，但是也存在固有的缺陷 :首先是不適于小速比范圍的的計算，風機葉輪在小速比運行時，葉片攻角變化幅值很大，易出現(xiàn)前緣分離流，計算時難以收斂；其次是計算耗時長，不能滿足工程設計中快速預報葉輪氣動性能的要求 [19]。在設計建造風電機組之前，需要準確的預報風機葉輪氣動性能。數(shù)據(jù)提 取結果如下文中所示。從圖中可以看到，翼型的失速攻角和最大升力系數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而增大。本節(jié)的數(shù)值模擬結果表明，厚度在 至 的翼型具有比較好的升阻特性。如果翼型處于正攻角狀態(tài)，上翼面彎曲程度越大越有助于提高翼型的升力系數(shù)。 阻力系數(shù) Cd 升力系數(shù)Cl 哈爾濱理工大學學士學位論文 32 圖 322 不同彎度翼型的失速攻角 圖 323 不同彎度翼型的最大升力系 數(shù) 本章小結 （ 1）增大雷諾數(shù)可以提高翼型的氣動性能，表現(xiàn)為翼型的升力系數(shù)增大阻力系數(shù)降低。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的知識、高尚的品行，是學生受益終生的寶貴財富。 NACA 2415 翼型的葉片能在保證有較大的升力系數(shù)的情況下同時使葉片在較小的阻力系數(shù)下工作，具有相對更好的氣動性能。這說明，增大葉片翼型的彎度使位于正攻角范圍內(nèi)的葉片在失速前產(chǎn)生更大的升力，卻使位于負攻角范圍內(nèi)的葉片在失速前產(chǎn)生的升力減 小。由圖 320 知，當翼型處于正攻角狀態(tài)時，翼型彎度的變化對阻力系數(shù)的影響較小；當翼型處于負攻角狀態(tài)時，翼型的彎度越大，同一攻角下翼型的阻力系數(shù)越 大。后升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線，當翼型的厚度由 增大至 時，升力系數(shù)增幅明顯，阻力系數(shù)略有增大；當翼型的厚度由 增大至 以及由 增大至 時，升力系數(shù)增幅減小，而阻力系數(shù)增幅變大，在圖 315 中也可以觀察到類似的變化趨勢。從圖 37 和圖 38 中還可以看到，翼型在不同雷諾數(shù)下升力系數(shù)之間的差值和阻力系數(shù)之間的差值不同。首先，創(chuàng)建節(jié)點，連線，建面，得到葉片模型如圖 31。風輪錐角 x 是葉片與旋轉軸垂直的平面的夾角。這種模型將計算區(qū)域分成大小重疊的兩部分，如圖 22 所示，小的計算區(qū)域包括葉片及其周圍的流場，大的計算區(qū)域包括整個輪機葉片所在的區(qū)域。和 270176。該方法在單盤面單流管模型的基礎上 ， 將轉子作用盤面沿垂直于來流的方向細分成多個獨立微流管 ， 假設每個流管均同來流方向平行 ， 且流管截面上的誘導速度均勻分布 ， 對每個流管分別運用動量定理求解其誘導速度 ， 從而得到葉輪的氣動性能。如果這些問題不能及時解決，會造成很大的經(jīng)濟損失，而且會嚴重影響風力機的推廣和應用。）和左邊 (θ=180 186。垂直軸風車在中國已有 2021 多年的歷史，而有詳細記載的是建于公元 1219 年垂直軸風車，如圖 14 所示。 （ 3)噪聲小。從近期來看，能源工業(yè)不可避免面臨著全球環(huán)境污染的壓力；從遠期來看，能源工業(yè)會面臨資源耗盡的問題。 關鍵詞 ：垂直軸風機；葉片翼型；氣動性能；數(shù)值模擬 哈爾濱理工大學學士學位論文 II Aerodynamic Analysis Of Vertical Axis Wind Turbine Blades Abstract With excessive consumption of fossil energy and environmental issues, people are increasingly pay attention to the wind energy , some countries are trying to develop the wind energy resources. In recent years, China39。 與水平軸風力機相比，垂直軸有很多優(yōu)點： （ l)不需要偏航裝置，可以接受任意方向的來風，這樣可以省去水平軸中復雜的偏航裝置，降低機組的成本，提高系統(tǒng)的可靠性。主要是考慮到他的風能利用率比水平軸的低，但這正是由于其基本研究積累不夠導致優(yōu)化 工作不夠深入所致。它的基本工作原理如圖 16，首先假設在風輪快速旋轉或靜止時，來風在經(jīng)過風輪后方向不發(fā)生變化。 風輪葉片是風力發(fā)電機中轉換風能的最主要部件，必須對其重點研究。 1950 年 ， Sullivan 和 Leonard 采用該模型對垂直軸 Dameus 風機葉片的氣動性能進行了計算和分析 ， 結果證明這種方法在低速比和低密實度情況下 ， 預報風力機的整體氣動力性能是可行的。這樣就可以用分 別布置在葉片軌跡圓上游半圓弧和下游半圓弧上 ， 強度相等、符號相反的附著渦片來代替無限多的葉片 ， 并且使渦量守恒； 而尾渦則用 90176。 和 于 1957 年提出另一種自由渦模型，該模型不再用無限多葉片數(shù)的葉輪代替實際葉輪，而是將尾流的一定區(qū)域進行分格，將位于單元格內(nèi)的尾渦絲離散到單元格的四個節(jié)點上進行計算，尾渦哈爾濱理工大學學士學位論文 12 絲的位置由它所在點 的當?shù)亓魉俅_定，并且在計算葉片瞬時載荷時考慮了動態(tài)失速效應。 (1)威爾森 (Wison)[21]修正方法 當 a 時，將使用迭代方法求解軸向誘導因子 a 和周向誘導因子 b的第 (6)步的 ?? 2sin41 F Caa n?? 由 ? ?? ? ?? 22 s in41 9 F Ca a n??? (217) 代替。 本文詳細闡述了動量一葉素理論，并分析了修正的動量一葉素理論；介紹了垂直軸風力機的空氣動力學設計理論中垂直軸風力機的多流管和雙向多流管理論模型，為后續(xù)的葉片氣動性能計算提供了理論依據(jù) [28]。雷諾數(shù)增加使翼型在低阻力系數(shù)區(qū)域具有更高的升力系數(shù)。），增大翼型厚度使升力系數(shù)和阻力系數(shù)同時增大。從曲線圖中可以看到，與前文研究過的對稱翼型（即零彎度翼型）不同，非對稱翼型處于正負攻角狀態(tài)時的氣動特性曲線有一定的差異。由圖 323 知，翼型的彎度由 0 增大至 的過程中，當翼型處于正攻角狀態(tài)下時，翼型的最大升力系數(shù)持續(xù)上升。 本文對三葉片垂直軸風力機翼型進行空氣動力學理論分析，運用數(shù)值模擬方法研究了翼型彎度和厚度對翼型氣動性能的影響，從而得出提供的四種翼型中哪種更適合葉片的制造。正是有了他們一如既往的支持，才使我擁有不斷前進的動力，才使我能夠順利的完成研究生階段的學業(yè)。翼型的彎度增加過多會導致翼型的整體氣動性能下降。因此，垂直軸風力機葉片的翼型必須具有適當?shù)膹澏?，才能使葉片在工作時獲得最佳的氣動性能，從而提高垂直軸風力機的風能利用率。這表明，增大翼型的厚度可以延遲翼型失速，使翼型在失速前產(chǎn)生更大的升力，從而為垂直軸風力機的風輪提供更大的驅動力 矩。本節(jié)將以這四種翼型作為研究對象，對這些翼型在雷諾數(shù)為 1105，攻角為 30176。到 30176。 (l)垂直軸風力機多流管理論模型 多流管模型是一種計算比較簡單，但是卻具有很高精度的理論模型，應用多流管理論對直葉片垂直軸風力機的功率系數(shù)進行計算。 葉素理論的基本出發(fā)點是將風輪葉片沿展向分成許多微段，稱這些微段為葉素。將尾渦用離散的自由渦線代替，則附著渦和離散尾渦的強度滿足 Kelvin 的渦量守恒定理，可表達為 ? ? ? ? ? ?1?????? kfkfkw (21) 其中 ， ??kw? 是第 k 時間步尾渦強度 ， 才 ， ??kf? ， ? ?1kf? 是第 k 和 k1 時間步附著渦強度。 基于動量定理的流管模型在一定 速比、密實度和載荷范圍內(nèi)能夠有效地預報風機葉輪的總體氣動性能 ， 例如能量利用率一速比特性、風速一轉速一功率特性等；而且多流管模型能夠計算流場的某些細節(jié) ， 例如上游盤面對下游盤面的影響。選擇出合適的翼型作為葉片的氣動外形。早期的垂直軸風力機為了解決氣動困難的問題，常常附加一個薩握扭斯型風力機來提高啟動時的扭矩。但是同其它阻力型風機一樣，Savonius 風機存在固有的缺陷，即 :工作速比范圍很小，通常為 0λ1，而且葉片在逆風區(qū)時會產(chǎn)生較大的反向力矩，降低了轉動軸的總力矩，故其能量利用率較低。水平軸的風力機的葉片還受到周期性的風剪作用，受力情況比較惡劣。槳葉必須要有較好的空氣動力外形，才能在空氣氣流作用下產(chǎn)生足夠的空氣動力使風輪旋轉，從而將風能轉換成了機械能，最后再通過齒輪箱驅動發(fā)電機轉變成為電能。哈爾濱理工大學學士學位論文 哈 爾 濱 理 工 大 學 畢 業(yè) 設 計 題 目： 垂直軸風機葉片翼型的空氣動力分析 院、 系： 建筑工程學院工程力學系 姓 名： 王健 指導教師： 隗喜斌 系 主 任： 李東華 2021 年 6 月 19 日 哈爾濱理工大學學士學位論文 哈爾濱理工大學 畢 業(yè) 設 計 題 目： 垂直軸風機葉片的空氣動力分析 院、 系： 建筑工程學院工程力學系 姓 名： 王健 指導教師： 隗喜斌 系 主 任 ： 李東華 2021 年 6 月 19 日 哈爾濱理工大學學士學位論文 I 垂直軸風機葉片的空氣動力分析 摘 要 隨著化石能源的過度消耗以及環(huán)境問題，風能越來越受到重視，各國都在努力開發(fā)風能資源。風力機中最主要的部件是風輪，風輪由槳葉和輪毅組成。輪毅處還交替性的受到葉片重力產(chǎn)生拉力與擠壓力。設計良好的 Savonius 風機在低風速時能獲得很好的功率輸出。 垂直軸風力機的啟動性能不如水平軸風力機，風力機在啟動時產(chǎn)生的啟動力矩與葉片的方位角有關，在一些位置葉片產(chǎn)生的扭矩不足以實現(xiàn)帶負載啟動，而且啟動過程會伴隨葉片一定程度的振動。主要對比NACA 0012， NACA 0018， NACA 2415， NACA 4415 這四種翼型風能利用系數(shù)與尖速比之間的關系。同時 ， Sharpe 在流管的擴張效應、葉片的非定常運動效應等方面做了大量修正 ， 使得該模型更趨完善 [13]。由于附著渦大小的變化， 將脫泄出展向尾渦，尾渦的強度等于附著渦強度的改變。 由動量理論可得 : r d raVdT )1(4 21 ?? ?? (23) drrabVdM 31 )1(4 ??? ?? (24) 式中， T 為作用在風輪上的軸向力， ρ為空氣密度， V1 為風輪前來流速度，M 為 作用 在風輪上的轉矩， Ω 為風輪轉 動角速度， a 為軸向誘導因子， b為周向誘導 因子 。本文主要介紹垂直軸風力機流管模型 [24]。因此，本節(jié)將以NACA0015 翼型作為研究對象，對雷諾數(shù)在 105 到 1105 范圍內(nèi)變化時， NACA0015 翼型在攻角 為 30176。 哈爾濱理工大學學士學位論文 25 圖 310 不同雷諾數(shù)下翼型的失速攻角 圖 311 不同雷諾數(shù)下翼型的最大升力系數(shù) 厚度對氣動特性的影響 翼型厚度是影響翼型氣動性能的主要幾何參數(shù)之一 ， NACA0012 ，NACA0015， NACA0018， NACA0020 翼型均為零彎度翼型，它們的相對厚度分別為： ， ， ， ，其幾何外形如圖 312 所示。從圖中可以看到，翼型的失速攻角和最大升力系數(shù)均隨翼型厚度的增大而增大，最大升力系數(shù)的增幅隨厚度增加逐漸變小。本節(jié)的數(shù)值模擬結果表明，在翼型厚度保持不變的情況下，在一定范圍內(nèi)增大翼型的彎度可以提高翼型在正攻角狀態(tài)時的氣動性能，但在負攻角狀態(tài)時的氣動性能有所降低。提高翼型氣動性能要求合理選擇翼型的厚度； （ 3）增大翼型的彎度可以提高翼型在正攻角狀態(tài)時的氣動性能，但在負攻角狀態(tài)時的氣動性能有所降低。在此，謹對導師對我學習和生活上給予的指導、關心表示衷心的感謝 !向導師及其家人致以崇高的敬意和最誠摯的祝福 ! 在此還要感謝我的家人與 朋友，沒有他們的支持、幫助與鼓勵，我也不可能完成我的碩士學位論文。通過理論分析和數(shù)值模擬主要得出以下幾個結論： （ 1）增大雷諾數(shù)可以提高翼型的氣動性能，雷諾數(shù)越高，雷諾數(shù)對翼型氣動性能的影響越?。? （ 2）增大翼型的厚度會在一定程度上提高翼型的氣動性能，但需合理選