張建新碩士論文畢業(yè)答辯

1、河海大學(xué)碩士學(xué)位論文答辯垂直軸風(fēng)力機(jī)仿真與應(yīng)用研究垂直軸風(fēng)力機(jī)仿真與應(yīng)用研究學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：1031001050姓名：張建新姓名：張建新專業(yè)：工程力學(xué)專業(yè)：工程力學(xué)導(dǎo)師：蔡新導(dǎo)師：蔡新河海大學(xué)碩士畢業(yè)論文答辯河海大學(xué)碩士畢業(yè)論文答辯章節(jié)第一章 緒論第二章 垂直軸風(fēng)力機(jī)工作原理與CFD方法第三章 垂直軸風(fēng)力機(jī)靜態(tài)啟動(dòng)性能分析第四章 垂直軸風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)性能分析與發(fā)電機(jī)配置第五章 垂直軸風(fēng)力機(jī)尾流特性研究第六章 總結(jié)和展望第一章第一章 緒論緒論1.1 小型風(fēng)力機(jī)的研究背景與意義小型風(fēng)力機(jī)的研究背景與意義 由于全球能源緊缺與環(huán)境危機(jī)的影響，人類迫切需要一種可再生能源，風(fēng)能具有有資源豐富、環(huán)保等特點(diǎn)，因此成為

2、21世紀(jì)比較有前景的新能源。 小型風(fēng)力機(jī)在離網(wǎng)式發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用，可為海島、邊遠(yuǎn)山區(qū)等電網(wǎng)很難覆蓋到的地區(qū)提供電能。小型風(fēng)力機(jī)屬于一次性投資設(shè)備，后期費(fèi)用比較低。低于電網(wǎng)延伸的供電方法和利用汽油/柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電的供電成本。所以小型風(fēng)力機(jī)對(duì)于邊遠(yuǎn)地區(qū)用電問(wèn)題的解決有很大的切實(shí)意義。1.2 風(fēng)力機(jī)的概述風(fēng)力機(jī)的概述1.2.1 風(fēng)力機(jī)的分類風(fēng)力機(jī)的分類 風(fēng)力機(jī)分為水平軸風(fēng)力機(jī)與垂直軸風(fēng)力機(jī)圖1-1 水平軸風(fēng)力機(jī) （a） （b） （c）圖1-2 a為阻力型風(fēng)力機(jī)、b為型風(fēng)力機(jī)、c為H型風(fēng)力機(jī) 1.2.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)垂直軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)（1） 工作風(fēng)速低，風(fēng)能利用率高 不需要調(diào)整方向捕捉風(fēng)

3、能，能充分利用低風(fēng)速區(qū)風(fēng)能。（2） 垂直軸風(fēng)力機(jī)成本低 葉片材料和塔架等材料要求不高，造價(jià)低。（3） 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片使用壽命長(zhǎng) 相比水平軸，垂直軸葉片疲勞損傷小。（4） 安裝與維護(hù)保養(yǎng)比較方便 發(fā)電機(jī)組在底部，安裝維護(hù)費(fèi)用小。（5） 環(huán)境效益好 尖速比小，噪音低，對(duì)鳥(niǎo)類的危害也小。 1.3 1.3 目前尚存在的問(wèn)題目前尚存在的問(wèn)題(1)垂直軸風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能研究 為了更有效利用低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)能，垂直軸風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能研究尤為重要，而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能的研究較少。(2) 垂直軸風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的影響與發(fā)電機(jī)配置 對(duì)于垂直軸發(fā)電機(jī)的研究，需要研究弦長(zhǎng)、安裝角等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于其相關(guān)性能的

4、影響，同時(shí)為了最大限度利用各風(fēng)速下垂直軸風(fēng)力機(jī)功率輸出，需要研究發(fā)電機(jī)特性，然后將風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的特性做對(duì)比研究。(3) 風(fēng)場(chǎng)中的垂直軸風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)研究 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)的研究比較完善，但對(duì)于垂直軸風(fēng)力機(jī)尾流的影響研究較少，隨著大功率輸出垂直軸風(fēng)力機(jī)越來(lái)越多出現(xiàn)，對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)的研究越來(lái)越重要。第二章 垂直軸風(fēng)力機(jī)工作原理與CFD方法2.1 垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)原理垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)原理2.1.1 翼型基本知識(shí)介紹翼型基本知識(shí)介紹 翼型的定義為與葉片長(zhǎng)度方向相垂直的橫斷面形狀，如下圖所示：tfc中弧線弦線前緣后緣yx圖2-1 翼型的幾何參數(shù) 在無(wú)窮遠(yuǎn)來(lái)流V作用下，翼型會(huì)產(chǎn)

5、生合力FR，F(xiàn)R可分解為垂直與來(lái)流方向的升力FL與平行于來(lái)流的阻力FD。FLFDVFR圖2-2 翼型升阻力與功角示意圖 2.1.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)參數(shù)垂直軸風(fēng)力機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)參數(shù) 來(lái)流風(fēng)速 V 與葉片切向相對(duì)風(fēng)速Vt合成W,葉片會(huì)受到垂直與W的升力與平行于W的阻力。在任何位置上，合力均驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，做正功。在一個(gè)周期內(nèi)，功角一直處于變化狀態(tài)，因此垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)周期性變化。風(fēng) WFVaVtVaVtVtVa W WFFcR 圖2-3 垂直軸風(fēng)力機(jī)原理圖圖2-4 垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)圖 2.1.3 垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作參數(shù)垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作參數(shù) 風(fēng)能的計(jì)算 掃風(fēng)面積可由此式推

6、出 尖速比 風(fēng)能利用系數(shù) 312ESv312NPNPCSV260rrnvv33=212PPCSvSvM 2.2 計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)CFD技術(shù)技術(shù) 2.2.1 CFD的發(fā)展歷程與的發(fā)展歷程與CFX軟件介紹軟件介紹 CFD（計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)發(fā)展始于上世紀(jì)60年代開(kāi)始發(fā)展，最初被用來(lái)從事科研。從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，CFD技術(shù)開(kāi)始商業(yè)化。 CFX軟件是英國(guó)AEA Technology公司開(kāi)發(fā)的，在復(fù)雜幾何、網(wǎng)格、求解等技術(shù)瓶頸都取得了比較大的突破。目前在航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、多相反映、混合流、機(jī)械制造、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域，CFX都得到了廣泛的應(yīng)用。2.2.2 湍流模型湍流模型 流體微團(tuán)做不規(guī)則隨

7、機(jī)脈動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)為湍流。 應(yīng)用最多的湍流模型分類如下。 1.簡(jiǎn)單湍流的直接數(shù)值模擬（DNS） 2.復(fù)雜湍流的數(shù)值模擬雷諾統(tǒng)計(jì)模式(RANS) 本文采用的SST -模型能夠很好地處理剪切應(yīng)力效應(yīng)?？梢院芎玫靥幚磉吔鐚恿鲃?dòng)。 3.復(fù)雜湍流的大渦數(shù)值模擬（LES）2.2.3 移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù) 對(duì)于風(fēng)力機(jī)研究，一般將整個(gè)流場(chǎng)分為靜止區(qū)域和旋轉(zhuǎn)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)區(qū)域即為包括風(fēng)力機(jī)在內(nèi)的中心流場(chǎng)，靜止區(qū)域即外圍流場(chǎng)，之間的交界面用移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)處理。本文中風(fēng)力機(jī)是轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以在模型中移動(dòng)邊界為圓柱形狀。 第三章 垂直軸風(fēng)力機(jī)靜態(tài)啟動(dòng)性能分析3.1 靜態(tài)啟動(dòng)性能仿真計(jì)算模型靜態(tài)啟動(dòng)性能仿真計(jì)算模型 本章模型采

8、用課題組專利模型，在CFD前處理中忽略風(fēng)力機(jī)中支撐桿的氣動(dòng)阻力作用，考慮葉片尾部和轉(zhuǎn)軸對(duì)風(fēng)力機(jī)整體氣動(dòng)性能的影響，簡(jiǎn)化后模型如圖所示：風(fēng)力機(jī)葉片采用的葉片翼型為DU91_W_250。風(fēng)力機(jī)三維模型由UG NX繪制而成，并導(dǎo)入有限元前處理軟件ICEM中進(jìn)行進(jìn)一步網(wǎng)格劃分。 圖3-2 簡(jiǎn)化后風(fēng)力機(jī) 圖3-1 垂直軸風(fēng)力機(jī)基本結(jié)構(gòu) 運(yùn)用ICEM CFD軟件 “分塊”并采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了體現(xiàn)邊界層粘性流動(dòng)特征，對(duì)附面層網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，選取的第一層網(wǎng)格的厚度大約為0.2 mm，葉片截面周邊四邊形網(wǎng)格如下圖。整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約124萬(wàn)個(gè)。圖3-3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分 圖3-4 葉片周邊網(wǎng)

9、格劃分 3.2 計(jì)算方法計(jì)算方法研究啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，葉片被設(shè)定為靜止?fàn)顟B(tài)下入流風(fēng)速對(duì)其轉(zhuǎn)矩的影響。該風(fēng)力機(jī)有四個(gè)葉片，計(jì)算工況為在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)，每個(gè)葉片在90圓周角內(nèi)每隔10的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，計(jì)算工況如表3-2所示： 圖3-5為10入流角下流場(chǎng)風(fēng)速分布圖。1號(hào)葉片的靜止?fàn)顟B(tài)下?tīng)恳ψ畲?，?8.30N；3號(hào)葉片牽引力最小，為4.24N，3號(hào)葉片牽引力最小，為4.24N；2號(hào)和4號(hào)葉片牽引力分別為7.57、7.56N。迎風(fēng)葉片背后存在較強(qiáng)的湍流區(qū)，處于湍流區(qū)的葉片不能發(fā)揮最佳氣動(dòng)特性。圖3-5 流場(chǎng)風(fēng)速分布圖圖3-6(a)為葉片尾流結(jié)構(gòu)分布，由圖可見(jiàn)上游迎風(fēng)葉片葉尖處有漩渦生成并向葉片中部轉(zhuǎn)移。漩渦在

10、中部膨脹，與下游葉片交織在一起。尾流結(jié)構(gòu)改變了下游葉片迎風(fēng)角和迎風(fēng)速度等特性。該特性變化可由圖3-6(b)葉片周圍流線分布看出，圖中葉片梢部和主軸的存在都影響氣流流線的變化。因此包含全尺寸葉片的三維CFD計(jì)算必將成為垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)與校核的有效手段。 (a)正視圖 (b)俯視圖 圖3-6 葉片周邊流線分布3.3計(jì)算結(jié)果分析計(jì)算結(jié)果分析 圖3-7為風(fēng)力機(jī)在不同入流角下靜轉(zhuǎn)矩變化曲線，當(dāng)入流角為30左右時(shí)風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大為142.98Nm。即每個(gè)葉片都不處于上游葉片尾流區(qū)內(nèi)時(shí)，風(fēng)力機(jī)可產(chǎn)生最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，在第4部分各個(gè)參數(shù)影響性能分析中，將各個(gè)設(shè)計(jì)方案中各個(gè)葉片都設(shè)置在類似方位角下

11、進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。0204060806080100120140啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Nm）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Nm）入流角（）入流角（）圖3-7 葉片啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與入流角關(guān)系3.4 葉片啟動(dòng)性能影響參數(shù)分析葉片啟動(dòng)性能影響參數(shù)分析結(jié)合CFD計(jì)算結(jié)果，調(diào)整葉片安裝半徑、弦長(zhǎng)、安裝角度和葉片數(shù)四個(gè)垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，研究對(duì)風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能的影響。2468101214050100150200250啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Nm）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Nm）風(fēng)速（m/s）風(fēng)速（m/s） 1m 1.2m 1.35m 1.50m 1.65m 1.80m 1.90m風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著葉片安裝半徑的增加而增加，即葉片安裝半徑越大，自啟動(dòng)性

12、能越好。3.4.1 不同葉片安裝半徑下的啟動(dòng)性能分析不同葉片安裝半徑下的啟動(dòng)性能分析 3.4.2 不同葉片弦長(zhǎng)下的啟動(dòng)性能分析不同葉片弦長(zhǎng)下的啟動(dòng)性能分析2468101214020406080100120140160180啟動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（Nm）矩（Nm）啟動(dòng)力矩（Nm）啟動(dòng)力矩（Nm） 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m 0.6m靜態(tài)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著葉片弦長(zhǎng)的增加而增加，葉片弦長(zhǎng)從0.1增加至0.4 m時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加較快，大于0.4m時(shí)，轉(zhuǎn)矩隨葉片弦長(zhǎng)增加而增加的幅度明顯減小。3.4.3 不同葉片安裝角下的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)不同葉片安裝角下的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能分析性能分析24681012140

13、20406080100120140160180啟動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（Nm）矩（Nm）風(fēng)速（m/s）風(fēng)速（m/s） 1 2 3 4 5 6 7 8 93.4.4 不同葉片數(shù)下的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能分析不同葉片數(shù)下的風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能分析2468101214020406080100120140160180啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Nm）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Nm）風(fēng)速（m/s）風(fēng)速（m/s） 2 345 安裝角度對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能的影響比較小，安裝角從1增加至8時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加，當(dāng)安裝角達(dá)到9時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小。 葉片數(shù)越多，風(fēng)力機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，自啟動(dòng)性能越好。第四章第四章 垂直軸風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)性能分析與發(fā)電機(jī)配置垂直軸風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)性能分

14、析與發(fā)電機(jī)配置4.1 動(dòng)態(tài)工作性能仿真計(jì)算模型動(dòng)態(tài)工作性能仿真計(jì)算模型 圖4-1 3.5kw垂直軸風(fēng)力機(jī) 本章節(jié)計(jì)算模型取自麥克馬斯特大學(xué)3.5kw垂直軸風(fēng)力機(jī)，在ICEM中瞬態(tài)網(wǎng)格處理如下： (a)風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)區(qū)域 (b)旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格效果圖4-2 垂直軸風(fēng)力機(jī)ICEM CFD網(wǎng)格劃分4.2瞬態(tài)計(jì)算的處理方法 在本章的計(jì)算中，設(shè)定風(fēng)力機(jī)每一步轉(zhuǎn)動(dòng)5度。對(duì)于旋轉(zhuǎn)計(jì)算域的運(yùn)動(dòng)通過(guò)給定角速度的方式來(lái)定義的，給定風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度后，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可以算得風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)5度所需的時(shí)間：36t001tTtttMM dtT風(fēng)能利用率表示如下：*32212ttttPwwwMMMPCPP QSvv S v 功率計(jì)算公式

15、圖4-3 垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出值-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.0050100150200250300350模擬模擬轉(zhuǎn)矩（Nm）轉(zhuǎn)矩（Nm）模擬時(shí)間（s）模擬時(shí)間（s）1.01.82.00.000.000.250.30風(fēng)能利用率風(fēng)能利用率尖速比尖速比 試驗(yàn)數(shù)據(jù) CFD計(jì)算值圖4-4 CFD計(jì)算值與試驗(yàn)對(duì)比圖 CFD計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果在葉尖速比為1.0和1.6范圍吻合良好，風(fēng)能利用率變化規(guī)律大致相同，且最大風(fēng)能利用率都發(fā)生在葉尖速比為1.6左右。由上述計(jì)算結(jié)果，本文數(shù)值模擬方法合理。=0=40=60=80=10

16、0=20圖4-5 葉輪中部截面速度場(chǎng)分布圖 由左圖可以看出：每只葉片前緣處相對(duì)風(fēng)速最大，且葉片在上游區(qū)域時(shí)，葉片翼型周圍流場(chǎng)流速較之于下游葉片流速較大。同時(shí)，上游葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)域內(nèi)的尾流。近場(chǎng)尾流隨風(fēng)速向下游移動(dòng)，與下游運(yùn)行葉片交匯，影響其氣動(dòng)力特性。圖中，塔桿也影響葉輪旋轉(zhuǎn)域內(nèi)的流場(chǎng)分布。=0=40=60=80=100=20圖4-6 葉輪的渦強(qiáng)隨方位角分布圖 由左圖可以看出：葉片尖部拖曳的渦強(qiáng)最明顯，葉片中部的渦強(qiáng)分布較弱，且基本一致。因此葉片尖部的輸出功率最小，可對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)葉尖形狀進(jìn)行進(jìn)一步的氣動(dòng)修正，提升功率輸出，減少不良?xì)鈩?dòng)載荷的產(chǎn)生。 4.3 風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)輸出性能影響參

17、數(shù)分析風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)輸出性能影響參數(shù)分析4.3.1 不同葉片安裝半徑下的風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)輸出性能分析不同葉片安裝半徑下的風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)輸出性能分析 安裝半徑小的風(fēng)力機(jī)需要較大的轉(zhuǎn)速才能達(dá)到最大功率和轉(zhuǎn)矩輸出，安裝半徑大的風(fēng)力機(jī)在相對(duì)低轉(zhuǎn)速下達(dá)到較好的工作狀態(tài)。4060801001201401601800200400600800100012001400輸出功率（輸出功率（W）轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速（r/min） 0.90m 1.00m 1.10m 1.25m 1.40m 1.55m 1.70m406080100120140160180102030405060708090100110120130140輸出輸出轉(zhuǎn)

18、轉(zhuǎn)矩（Nm）矩（Nm）轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速（r/min） 0.90m 1.00m 1.10m 1.25m 1.40m 1.55m 1.70m1.01.82.00.000.000.250.30風(fēng)能利用率風(fēng)能利用率尖速比尖速比 0.90m 1.00m 1.10m 1.25m 1.40m 1.55m 1.70m4.3.2 不同葉片弦長(zhǎng)下的風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)輸出性能分析不同葉片弦長(zhǎng)下的風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)輸出性能分析 葉片弦長(zhǎng)對(duì)于最大功率輸出大小的影響較小，弦長(zhǎng)的選擇影響最大輸出功率相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，還影響著取得最大風(fēng)能利用率相對(duì)應(yīng)的尖速比。若

19、發(fā)電機(jī)運(yùn)行需要較大的轉(zhuǎn)矩，則選擇較長(zhǎng)的弦長(zhǎng)；若發(fā)電機(jī)對(duì)于轉(zhuǎn)速要求較高，則選擇短的弦長(zhǎng)。406080100120140160180200220240200400600800100012001400輸出功率（輸出功率（W）轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速（r/min） 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m 0.6m406080100120140160180200220240102030405060708090100110120130140輸出輸出轉(zhuǎn)矩（Nm）轉(zhuǎn)矩（Nm）轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速（r/min） 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m 0.6m1.01.21

20、.2.83.03.20.000.250.30風(fēng)能利用率風(fēng)能利用率尖速比尖速比 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m 0.6m4.3.3 不同葉片安裝角下的風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)輸出性能分析不同葉片安裝角下的風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)輸出性能分析 三種類型曲線變化趨勢(shì)基本一致，安裝角對(duì)氣動(dòng)性能的影響不是太大。安裝角度為5度時(shí)，其氣動(dòng)性能最佳。因此設(shè)計(jì)垂直軸風(fēng)力機(jī)時(shí)，應(yīng)該選取5的安裝角。406080100120140160180200220100200300400500600700800900100011001200130014001500輸出功率（輸

21、出功率（W）轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速（r/min） 0 2 4 5 6 74060801001201401601802002200102030405060708090100110120輸出輸出轉(zhuǎn)矩（Nm）轉(zhuǎn)矩（Nm）轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速（r/min） 0 2 4 5 6 1.82.02.80.020.040.060.0060.280.300.32風(fēng)能利用率風(fēng)能利用率尖速比尖速比 0 2 4 5 6 74.3.4 不同葉片數(shù)下的風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)輸出性能分析不同葉片數(shù)下的風(fēng)力機(jī)動(dòng)

22、態(tài)輸出性能分析 風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)為2枚時(shí)，雖然可以達(dá)到很高的風(fēng)能利用率，但是其輸出轉(zhuǎn)矩比較低，且要達(dá)到很高的尖速比才能獲得很高風(fēng)能利用率，高尖速比時(shí)工作噪音較大，且振動(dòng)也會(huì)增大。葉片數(shù)選擇5枚時(shí)，輸出功率和風(fēng)能利用率較低。所以垂直軸風(fēng)力機(jī)一般選擇3-4枚葉片。60801001201401601802004006008001000120014001600輸出功率（輸出功率（W）轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速（r/min） 2枚 3枚 4枚 5枚60801001201401601800102030405060708090100110120130輸出輸出轉(zhuǎn)矩（Nm）轉(zhuǎn)矩（Nm）轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速（r/min

23、） 2枚 3枚 4枚 5枚1.82.000.250.300.35風(fēng)能利用率風(fēng)能利用率尖速比尖速比 2枚 3枚 4枚 5枚4.4 不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出性能研究與發(fā)電機(jī)配置不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出性能研究與發(fā)電機(jī)配置 4.4.1 發(fā)電機(jī)的功率輸出與調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的功率輸出與調(diào)節(jié)電流（I）電壓（V）發(fā)電機(jī)輸出特征最大輸出功率曲線n6n1n2n3n4n5轉(zhuǎn)速n（r/min）功率P（W）圖4-19 發(fā)電機(jī)輸出特征曲線 每一個(gè)工作轉(zhuǎn)速下均有一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，連接這些點(diǎn)，可獲得最大功率輸出曲線，該曲線又可如圖4-20所示。 圖4-20

24、最大輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線 發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：230()=culshinPPPMnP2：發(fā)電機(jī)輸出功率Psh與Pcul分別為發(fā)電機(jī)機(jī)械損耗與電流流通損耗 可以看出當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載來(lái)改變 。2()=culshinmR PPPMV4.4.2 風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速和發(fā)電機(jī)額定功風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速和發(fā)電機(jī)額定功率特性的選擇率特性的選擇 312p iEv C t風(fēng)能（KWh/m ）2風(fēng)速（m/s）MVN 圖中能量輸出最大值M點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速設(shè)為額定風(fēng)速，這樣就可以最大限度利用該地區(qū)的風(fēng)能資源。 風(fēng)力機(jī)掃掠面在一年時(shí)間內(nèi)某風(fēng)速下每平米的輸出能量E：該風(fēng)速下發(fā)

25、電機(jī)的最大功率即為額定功率PN :312NpNPCSV本章計(jì)算風(fēng)速取值范圍4m/s至12 m/s 取風(fēng)力機(jī)模型的幾何參數(shù)如表4-1所示:圖為不同來(lái)流風(fēng)速下，功率輸出與轉(zhuǎn)矩輸出隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。由圖中可以得出：1.來(lái)流風(fēng)速越大，在任一轉(zhuǎn)速下，輸出功率和轉(zhuǎn)矩輸出均與風(fēng)速成正比例關(guān)系。2.因?yàn)轱L(fēng)能E的表達(dá)式為 ，即風(fēng)能與速度的三次方成正比例關(guān)系，所以隨著風(fēng)速的增加，最大輸出功率增加迅速。312ESv4.4.3 不同來(lái)流風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)功率輸出性能分析204060801001201401600200400600800100012001400160018002000220024002600輸出功率（輸出功率

26、（W）轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速（r/min） 4m/s 6m/s 8m/s 10m/s 12m/s20406080100120140160102030405060708090100110120130140150160170180190輸出輸出轉(zhuǎn)矩（Nm）轉(zhuǎn)矩（Nm）轉(zhuǎn)速（r/min）轉(zhuǎn)速（r/min） 4m/s 6m/s 8m/s 10m/s 12m/s4.4.4 與風(fēng)力機(jī)相適應(yīng)的發(fā)電機(jī)性能選配分析 連接不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)最佳工作點(diǎn)即曲線的最高點(diǎn)，可以得到風(fēng)力機(jī)最佳功率輸出隨轉(zhuǎn)速變化曲線 如果發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需功率圖與左圖曲線有較大偏差，即出現(xiàn)發(fā)電機(jī)的過(guò)載與欠載 4060801001201400500

27、10001500200025003000發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需功率發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需功率（W）（W）轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速r/minr/min 發(fā)電機(jī)欠載 發(fā)電機(jī)過(guò)載 風(fēng)輪最佳輸出功率過(guò)載時(shí)，引起風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的過(guò)載，甚至損毀； 欠載時(shí)，風(fēng)力機(jī)不能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)出現(xiàn)失速或者停轉(zhuǎn)。40608010012014005001000150020002500最佳輸出功率最佳輸出功率（W）（W）轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速r/minr/min 最佳輸出功率 4.4.5 發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)的負(fù)載調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)的負(fù)載調(diào)節(jié) 發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載來(lái)改變，若轉(zhuǎn)速過(guò)快，則增加負(fù)載，增加發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

28、，速度減慢；若轉(zhuǎn)速過(guò)慢，則減小負(fù)載，減小發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。增加轉(zhuǎn)速 468101205001000150020002500 最佳輸出功率 最佳轉(zhuǎn)速風(fēng)速風(fēng)速(m/s)最佳輸出功率最佳輸出功率(W)406080100120140最佳轉(zhuǎn)速最佳轉(zhuǎn)速(r/min)230()=culshinPPPMn第五章第五章 垂直軸風(fēng)力機(jī)尾流特性研究垂直軸風(fēng)力機(jī)尾流特性研究5.1 尾流的形成機(jī)理尾流的形成機(jī)理 在風(fēng)場(chǎng)中，葉片會(huì)對(duì)周圍空氣施加一個(gè)力矩，后方空氣會(huì)沿著葉片運(yùn)轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)，下風(fēng)方向上的空氣會(huì)形成很多渦流，由于大氣流動(dòng)具有不確定性，渦流在下風(fēng)方向會(huì)橫向擴(kuò)展，這種擴(kuò)展會(huì)在風(fēng)力機(jī)下風(fēng)方向上很遠(yuǎn)的距離保持下

29、去，下游區(qū)域的風(fēng)力機(jī)受到渦流影響，其輸出功率會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，這種現(xiàn)象被稱為風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)。5.2 工程實(shí)例工程實(shí)例 本文以瑞典法爾肯貝里市的200kW垂直軸風(fēng)力機(jī)為原型，按照真實(shí)的空間排布進(jìn)行數(shù)值模擬，每?jī)蓚€(gè)風(fēng)力機(jī)間隔140150m。5.3 尾流特征仿真模型尾流特征仿真模型5.3.1 風(fēng)力機(jī)分布風(fēng)力機(jī)分布 （a） （b）布置如圖所示，兩次計(jì)算分析中，計(jì)算域尺寸相同。5.3.2 網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)定網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)定單機(jī)流場(chǎng)區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為210萬(wàn)，雙機(jī)組流場(chǎng)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約為330萬(wàn)。(1) 計(jì)算區(qū)域入口設(shè)定風(fēng)速(2) 計(jì)算區(qū)域出口設(shè)置出口靜壓(3) 葉片表面及流場(chǎng)底面設(shè)定為無(wú)滑移邊界，流

30、場(chǎng)頂面和兩側(cè)設(shè)定為對(duì)稱邊界；(4) 靜止域與旋轉(zhuǎn)域交界面設(shè)定相對(duì)旋轉(zhuǎn)邊界。5.3.3入口處風(fēng)速梯度入口處風(fēng)速梯度在大氣邊界層中，由于受到地面摩擦的影響，平均水平入流風(fēng)速會(huì)隨高度而發(fā)生變化，即存在風(fēng)剪切效應(yīng)。( )=()(z )ssV zzzV 為高度z處的入流風(fēng)速； 為參考高度處的入流風(fēng)速； 為赫爾曼(Hellman)指數(shù)。( )V z(z )sV計(jì)算域入口處風(fēng)速隨高度變化梯度 5.4 計(jì)算結(jié)果與分析計(jì)算結(jié)果與分析 在20rpm時(shí)，上游風(fēng)力機(jī)與單風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩峰值輸出相近，約為38000 Nm。然而，下游風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出峰值與谷值均低于單風(fēng)機(jī)。下游風(fēng)力機(jī)由于上游風(fēng)力機(jī)尾流影響，轉(zhuǎn)矩峰值輸出具有一定的波動(dòng)，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，轉(zhuǎn)矩峰值約為30000 Nm。經(jīng)梯形法求積分算得三臺(tái)風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定后功率輸出分別為51.42kW、49.61kW和41.17kW。處于上游的風(fēng)力機(jī)的輸出功率受下游風(fēng)力機(jī)的影響較小，與單獨(dú)風(fēng)力機(jī)的輸出功率基本一致，而下游風(fēng)力機(jī)輸出功率減少17%左右。 02468100500010