【正文】 小時（ ≦ 10176。），翼型厚度的增大對升力系數(shù)和阻力系數(shù)的影響較??；攻角較大時（ 10176。），增大翼型厚度使升力系數(shù)和阻力系數(shù)同時增大。由圖 315 知，厚度大的翼型在低阻力系數(shù)區(qū)域能達(dá)到更大的最大升力系數(shù)，具有更大的升阻比?？疾靾D 313 和圖 314 攻角超過 10176。后升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線，當(dāng)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(dāng)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。翼型厚度增大使翼型上翼面的彎曲程度增大，從而導(dǎo)致空氣氣流流過上翼面時流速增大更多，升力也相應(yīng)更大。但當(dāng)厚度增大至一定程度時，升力系數(shù)不再有明顯的增大而阻力系數(shù)卻增大很多。合理選擇翼型的厚度，是提高翼型氣動性能的關(guān)鍵。本節(jié)的數(shù)值模擬結(jié)果表明，厚度在 至 的翼型具有比較好的升阻特性。 X Y 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 圖 313 不同 厚度翼型的升力系數(shù)曲線 圖 314 不同厚度翼型的阻力系數(shù)曲線 圖 315 不同厚度翼型的升力 — 阻力系數(shù)曲線 阻力系數(shù) Cd 升力系數(shù)Cl 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 （ 2）翼型厚度對翼型失速特性的影響 圖 316 和圖 317 分別是四種厚度（ ， ， ， ）翼型在雷諾數(shù)為 1105 時的失速攻角和最大升力系數(shù)。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。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(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪提供更大的驅(qū)動力 矩。 圖 316 不同厚度翼型的失速攻角 圖 317 不同厚度翼型的最大升力系數(shù) 彎度對氣動特性的影響 翼型彎度是影響翼型氣動性能的主要幾何參數(shù)之一 ， NACA0015 ，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 NACA2415， NACA4415， NACA6415 翼型 [29]的相對厚度均為 ，它們相對彎度分別為： 0， ， ， ，翼型的幾何外形如圖 318 所示。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。時的氣動性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究彎度對垂直軸風(fēng)力機(jī)翼型的升力特 性、阻力特性、最大升力系數(shù)等氣動特性的影響。 圖 318 NACA0015,NACA2415,NACA4415,NACA6415 翼型幾何外形 （ 1）翼型彎度對翼型升阻特性的影響 圖 319，圖 320 和圖 321 分別是 NACA0015， NACA2415，NACA4415， NACA6415 翼型在雷諾數(shù)為 1105 時的升力系數(shù)曲線，阻力系數(shù)曲線和升力 — 阻力系數(shù)曲線圖。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(fù)攻角狀態(tài)時的氣動特性曲線有一定的差異。由圖 319 可知，對有彎度的翼型，正攻角狀態(tài)時的升力系數(shù)要大于對應(yīng)的負(fù)攻角狀態(tài)時的升力系數(shù)，正攻角狀態(tài)時的升力系數(shù)要小于對應(yīng)的負(fù)攻角狀態(tài)時的阻力系數(shù)。當(dāng)翼型處于正攻角狀態(tài)時，保持翼型的厚度不變而增大翼型的彎度能有效提高翼型的升力系數(shù)，彎度越大的翼型升力系數(shù)越大；當(dāng)翼型處于負(fù)攻角狀態(tài)時，保持翼型厚度不變而增大翼型的彎度并不能提高翼型的升力系數(shù)，相反，彎度越大的翼型升力系數(shù)越小。由圖 320 知，當(dāng)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(dāng)翼型處于負(fù)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。由圖 321 知，彎度大的翼型若處于正攻角狀態(tài)時，在低阻力系數(shù)區(qū)域能達(dá)到更大的最大升力系數(shù)，因而具有更大的升阻比；彎度大的翼型若處于負(fù)攻角狀態(tài)時，在低阻力系數(shù)區(qū)域所能達(dá)到的最大升力系數(shù)更小，因而升阻比也更小?？傮w上講，彎度增大越多，翼型在低阻力系數(shù)區(qū)域的升阻比提高越不明顯。 由于翼型具有彎度后即為非對稱翼型，改變翼型的彎度會使翼型上下X Y 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 翼面幾何形狀變化不同，導(dǎo)致翼型在正負(fù)攻角下的氣動性能變化也不同。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)。而翼型如果處在負(fù)攻角狀態(tài)，上翼面的彎曲 程度越大，空氣氣流流過翼型時受到的阻力也越大，導(dǎo)致翼型的升力系數(shù)減小阻力系數(shù)增大。本節(jié)的數(shù)值模擬結(jié)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(fù)攻角狀態(tài)時的氣動性能有所降低。因此，垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片的翼型必須具有適當(dāng)?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(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率。 圖 319 不同彎度翼 型的升力系數(shù)曲線 圖 320 不同彎度翼型的阻力系數(shù)曲線 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 圖 321 不同彎度翼型的升力 — 阻力系數(shù)曲線 （ 2）翼型 彎度對翼型失速特性的影響 對垂直軸風(fēng)力機(jī)而言，具有一定彎度的翼型在負(fù)攻角狀態(tài)時升力系數(shù)為負(fù)值，僅僅表示負(fù)攻角狀態(tài)時葉片上所產(chǎn)生升力的方向與正攻角狀態(tài)時葉片上所產(chǎn)生升力的方向不同，但在這兩種工作狀態(tài)下，垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片上的升力都對風(fēng)輪產(chǎn)生正向的驅(qū)動力矩。為便于分析，下面將負(fù)攻角狀態(tài)時最大升力系數(shù)和失速攻角前的符號略去，僅考查這兩項(xiàng)氣動參數(shù)的數(shù)值大小。如圖 322 和圖 323 分別是四種彎度（ 0， ， ， ）翼型在雷諾數(shù)為 1105時對應(yīng)的失速攻角和最大升力系數(shù)。由圖 322 知，翼型的彎度 由 0 增大至 的過程中，當(dāng)翼型處于正攻角狀態(tài)下時，翼型的失速攻角先增大后減小。當(dāng)翼型處于負(fù)攻角狀態(tài)下時，翼型的失速攻角持續(xù)下降。由圖 323 知，翼型的彎度由 0 增大至 的過程中，當(dāng)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。當(dāng)翼型處于負(fù)攻角狀態(tài)下時，翼型的最大升力系數(shù)持續(xù)下降。綜上所述，增大翼型的彎度可以延遲翼型在正攻角狀態(tài)時的失速，但卻會使翼型在負(fù)攻角狀態(tài)時的失速提前。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(fù)攻角范圍內(nèi)的葉片在失速前產(chǎn)生的升力減 小。葉片翼型的彎度增加越大，葉片在不同位置上升力上升或下降的幅度也越大。翼型彎度過大會導(dǎo)致翼型的整體失速特性不佳，即葉片在失速前無法為垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪提供更大的驅(qū)動力矩。因此，合理翼型的彎度，是改善翼型整體失速特性以及提高垂直軸風(fēng)力機(jī)工作效率的關(guān)鍵。 阻力系數(shù) Cd 升力系數(shù)Cl 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)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(jié) （ 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。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，但當(dāng)厚度增大至一定程度時，升力系數(shù)不再有明顯的增大而阻力系數(shù)卻增大很多，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 即翼型的整體氣動性能下降。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(fù)攻角狀態(tài)時的氣動性能有所降低。翼型的彎度增加過多會導(dǎo)致翼型的整體氣動性能下降。提高翼型整體氣動性能要求適當(dāng)?shù)?翼型彎度。 總結(jié)上文可以得出 NACA 0012， NACA 0018， NACA 2415， NACA 4415四種翼型中最適用于葉片制造的翼型為 NACA 2415。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 結(jié)論 現(xiàn)在社會面臨著越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，煤炭、石油等化石能源日益枯竭，以后必將是風(fēng)能快速發(fā)展的時代，風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)一定會快速提高。這對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究是一個挑戰(zhàn)，對風(fēng)機(jī)葉片的研究也就提出了越來越高的要求。本文在參閱了大量的文獻(xiàn)后，對葉片的空氣動力學(xué)性能以及靜、動態(tài)下受力情況作了研究，對垂直風(fēng)機(jī)的力學(xué)性能作了一些有意義的探索，所得結(jié)果對工程應(yīng) 用有實(shí)際意義。 本文對三葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)翼型進(jìn)行空氣動力學(xué)理論分析，運(yùn)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。通過理論分析和數(shù)值模擬主要得出以下幾個結(jié)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，但需合理選擇翼型的厚度，否則翼型的整體氣動性能會下降；增大翼型的彎度可以大大提高翼型在正攻角時的氣動性能，但在負(fù)攻角時的氣動性能有所降低，提高翼型整體氣 動性能要求適當(dāng)?shù)囊硇蛷澏取? （ 3）通過以上研究得出 NACA 0012， NACA 0018， NACA 2415， NACA 4415 四種翼型中最適用于葉片制造的翼型為 NACA 2415。 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。 總結(jié)本文的研究工作，以下幾個方面值得進(jìn)一步深入研究： （ 1）盡管本文在優(yōu)化設(shè)計(jì)翼型時采用了復(fù)合形法，但由于垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)方式特殊，因此提出更好的適合垂直軸風(fēng)力機(jī)的翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法值得深入研究； （ 2）葉片 的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，本文對葉片的建模做了適當(dāng)簡化，如葉片連接點(diǎn)處的簡化，這樣的簡化給計(jì)算結(jié)果帶來了一些影響。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 35 致謝 本論文是在導(dǎo)師魁喜斌老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的。兩年多以來，學(xué)生在學(xué)業(yè)上取得的點(diǎn)滴進(jìn)步無不包含著導(dǎo)師誠摯而無私的付出。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識、高尚的品行，是學(xué)生受益終生的寶貴財(cái)富。我的每一點(diǎn)進(jìn)步都離不開導(dǎo)師對我的關(guān)懷與指導(dǎo)，每一點(diǎn)成績都凝聚著導(dǎo)師的心血。在此，謹(jǐn)對導(dǎo)師對我學(xué)習(xí)和生活上給予的指導(dǎo)、關(guān)心表示衷心的感謝 !向?qū)熂捌浼胰酥乱猿绺叩木匆夂妥钫\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(xué)位論文。正是有了他們一如既往的支持，才使我擁有不斷前進(jìn)的動力，才使我能夠順利的完成研究生階段的學(xué)業(yè)。 論文的順利完成還得益于力學(xué)系所有教師以及所有授課教師，感謝實(shí)驗(yàn)室和力學(xué)班的各位同學(xué)，在此表示最誠摯的謝意 ! 向文中應(yīng)用到其學(xué)術(shù)論著及研究成果的專家學(xué)者致以誠摯的謝意。 最后，謹(jǐn)向百忙之中抽出寶貴時間評審本論文和參加論文答辯的各位專家、學(xué)者們致以最誠摯的謝意。并借此機(jī)會，向所有關(guān)心過和幫助過我的人道一聲謝謝和深深的祝福 ! 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 36 參考文獻(xiàn) 1 李傳統(tǒng) ． 新能源 和可再生能源技術(shù) ． 第 1 版 ． 東南大學(xué)出版社 ， 2021： 30~36 2 王建軍 ． 2021 年中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)分析報告 ． 中國咨詢網(wǎng) ． 2021 3 吳治堅(jiān) ． 新能源和可再生能源的利用 ． 第 1 版 ． 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2021： 155~164 4 葉杭冶 ． 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù) ． 第 2 版 ． 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2021： 1~6 5 范正萍 ， 垂直軸微風(fēng)發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)和模擬分析 [碩士學(xué)位論文 ]， 2021 6 將超奇 ， 嚴(yán)強(qiáng) ． 水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較研究 ． 上海電力 ， 2021， 2： 163~165 7 張華 ， 白小芳 ， 茍懷勇 ． 基于 有限元法的立軸風(fēng)機(jī)風(fēng)輪振動特性分析 ． 計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)及其應(yīng)用 ， 2021， 21： 9~13 8 周萬里 ， 黃典貴 ， 徐建中一種新型聚能遮蔽型立軸風(fēng)力機(jī) ． 太陽能學(xué)報 ，2021， 30： 1535~1539 9 熊禮儉 ． 風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊 ． 第 1 版 ． 北京 ： 中國科技文化出版社 ， 2021 10 J． HStriek land， The Darrieus Turbine： Performance Prediction Model Using Multi Ple Streamtubes． 160~197 11 王福軍 ． 計(jì)算流體動力學(xué)分析 CFD 軟件原理與應(yīng)用 ． 北京 ： 清華大學(xué)出版社 ， 2021 12 周俊杰 ， 徐國權(quán) ， 張華俊 ． FLUENT 工程技術(shù)與實(shí)例分析 ． 第一版 ． 北 京 ： 中國水利水電出版社 ， 2021 13 巫發(fā)明 ， 楊從新 ， 張玉良 ， 等 ． 風(fēng)力機(jī)翼型摩擦阻力數(shù)值計(jì)算中不同湍流模型的比較研究 ． 流體機(jī)械 ， 2021： 11~14 14 賀德馨 ． 風(fēng)工程與工業(yè)空氣動力學(xué) ． 北京 ： 國防工業(yè)出版社 ， 2021 15 廖康平 ． 垂直軸風(fēng)機(jī)空氣動力學(xué)性能研究 [碩士學(xué)位論文 ]， 哈爾濱 ， 哈爾濱工程大學(xué) ， 2021 16 陳進(jìn) ， 張曉 ， 王旭東 ． 通用風(fēng)力機(jī)翼型氣動特性數(shù)值模擬 ． 重慶工學(xué)院學(xué)報 ， 2021， 23(7)： 51~54 17 朱紅鈞 ， 林元華 ， 謝龍漢 ． FLUENT 流體分析及仿真實(shí)用教程 ． 第 1版 ． 北京 ： 中國郵