小型風(fēng)機(jī)提高風(fēng)能利用率的研究

DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterIMPROVEMENTOFASMALLWINDTURBINEWITHCURTAINING LIStudent Prof.CHENGuangyeAcademicDegreeapplied Masterof Marine SchoolofNavalArchitecture，OceanandCivilEngineeringDateof Jan，Degree-Conferring- ShanghaiJiaoTongSavonius小型垂直式風(fēng)力機(jī)具有能夠在較低風(fēng)速下起型簡(jiǎn)單，易于的特點(diǎn)，適合分布式發(fā)電的要求。為了提高Savonius小型垂直式風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用采用CFD方法研究了在來(lái)風(fēng)方向增加導(dǎo)流研究分為三個(gè)部分進(jìn)行，第一部分是數(shù)值計(jì)算模型的建立與驗(yàn)證。利用ambit繪制網(wǎng)格并在luent下實(shí)現(xiàn)建模仿真，采用k-ε湍流模型。進(jìn)行模型調(diào)試。本文比較二維、三維模型的結(jié)果差異并分析原因。第三部分中，文章采用二維模型比較了有無(wú)導(dǎo)流板、不同導(dǎo)流板長(zhǎng)度、不同安裝角度和不同安裝位置情況下葉片周圍的流場(chǎng)分布以及葉片對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的靜態(tài)力矩。0導(dǎo)流板位置對(duì)靜態(tài)力矩所帶來(lái)的影響可以忽略。本文建立的二維、三維仿真模型均正確反映了風(fēng)機(jī)的靜態(tài)力矩的化。在這一模型的基礎(chǔ)上對(duì)有導(dǎo)流板此外，合理安裝導(dǎo)流板可以使得該型風(fēng)機(jī)的葉片靜態(tài)力矩提高20%-40avonius型風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率。：Savonius風(fēng)機(jī)，仿真，導(dǎo)流板，風(fēng)能利用率，靜態(tài)STUDYONNUMERICALSIMULATIONOFASMALLWINDTURBINEThisresearchaimsatimprovingtheperformanceofSavoniuswindturbinewithCFDmethod.Inpreviousstudies，acurtainingarrangementwasintroducedthroughwindtunnelexperiences.Asanaddition，simulationsonmoreparametersofthecurtainhavebeenconductedinthisThisstudycontainsthreephases.Firstly，anumericalmodelhasbuiltandsimulatedwiththehelpofFluent.Secondly，themodelhasbeenthusvalidatedbywindtunnelexperimentaldataconductedinpreviouspapers.Bothtwo-dimensionandthree-dimensionhavebeeninvolved.Thirdly，threegeometricalparameters，namelyinstallationangle，lengthofcurtainandpositionofcurtain，aretakenintoconsiderationinthisstudy.Influencesofeachparameterareyzedthroughnumericalsimulationsrespectively.torquesiscomparedineachItisshownthatcurtainarrangementsignificantlyimprovesstaticthustheefficiency.Installationangleandlengthofcurtainareimportantparameterswhileinstallationpositiondoesnotaffectmuch.CurtainarrangementisfoundaneffectivemethodologytoincreasestatictorqueandthusimprovemechanicalefficiencyofSavoniuswindturbine.:Savoniuswindturbine，numericalsimulation，curtain，performance，statictorque第一章緒 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn) 本文研究?jī)?nèi) 第二章研究的基本理論與方 風(fēng)機(jī)控 CFD方法研究風(fēng)機(jī)問(wèn) CFD方法概 Fluent軟件特 基本方 有限體積 本章小 第三章Savonius風(fēng)機(jī)模型建 Fluent建立風(fēng)機(jī)數(shù)值模 本章小 第四章Savonius型風(fēng)機(jī)模型驗(yàn)證及比較分 引 Savonius型風(fēng)機(jī)三維模型的建 兩葉片、三葉片Savonius風(fēng)機(jī)比 本章小 第五章導(dǎo)流板改進(jìn)風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用 引 本章小 第六章結(jié)束 參考文 致 攻讀期間已或錄用的第一章全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得對(duì)能源的需求不斷增加，201312720121.5%[1]所造成的影響達(dá)成了共識(shí)：傳統(tǒng)能源的開采和使用導(dǎo)致了環(huán)境污染、全球變暖和經(jīng)濟(jì)波動(dòng)。非化石以及分布式發(fā)電機(jī)的使用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)能源開采的下降，并對(duì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)與此同時(shí)非化石開始有所起色是在2013年其增長(zhǎng)趨勢(shì)大踏步上升，占世界范圍內(nèi)發(fā)電能源的30%以上，而在歐洲與等地則替代了之前的化石成為市場(chǎng)中的主角。而可再生能源是其增長(zhǎng)的最大動(dòng)力。可16.3%（170太瓦時(shí)20132.7%5.3%。來(lái)說(shuō)風(fēng)能是由空氣流動(dòng)而產(chǎn)生的動(dòng)能其實(shí)是能的一種轉(zhuǎn)化形式風(fēng)的產(chǎn)生機(jī)理是從而來(lái)的輻射對(duì)地表和空氣不均勻地傳導(dǎo)熱量，從而引起在大氣層中各處風(fēng)能利用古已有之，19世紀(jì)末以集空氣力學(xué)所設(shè)計(jì)出的傳統(tǒng)荷蘭風(fēng)車實(shí)現(xiàn)（windmill化集中型風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)力發(fā)電工業(yè)中占有大部分。然而，從中心發(fā)電廠架設(shè)一條輸電線路到偏遠(yuǎn)地區(qū)的費(fèi)用往往是非常高的，因此，小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備被視作向偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村地區(qū)供電的首選方案而在發(fā)電市場(chǎng)上逐漸嶄露頭角[2]在的鄉(xiāng)村地區(qū)它力發(fā)電機(jī)還會(huì)將多余電能輸送回電網(wǎng)。在法國(guó)的一些偏遠(yuǎn)山區(qū)，并沒(méi)有選擇架設(shè)控制的輸電線路，而是在一些當(dāng)?shù)赝顿Y建設(shè)風(fēng)力和能發(fā)電系統(tǒng)。在這些[3][4]活和工作?？梢灶A(yù)見(jiàn)在未來(lái)，分布式小型風(fēng)電系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景和范圍將會(huì)更加廣闊[5]。這表明了社會(huì)在支持使用一種可再生的、隨處可見(jiàn)的天然能源以實(shí)現(xiàn)清潔空氣太地區(qū)風(fēng)能消費(fèi)量明顯高出其他地區(qū)，又以亞洲地區(qū)增長(zhǎng)最快。我國(guó)在亞洲地區(qū)的1.12009-2013全球風(fēng)能消費(fèi)量Fig.1.1Globalwindenergyconsumptionfrom2009toDarrieusG.J.M.Darrieus[7]Savonius這種風(fēng)機(jī)的彎曲羽翼形狀并局旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力的變化使葉片產(chǎn)生彎曲，而是根據(jù)抗拉應(yīng)力的作用變成跳繩狀（Thetropokinhpe。無(wú)論哪個(gè)風(fēng)向都可以旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)等具有重量的器材設(shè)置在離地面較近的地方也是其優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)單的造型大大降旋轉(zhuǎn)圓筒上的gnus效應(yīng)的Flettner1982.gnusFlettner194gnusFlettner型風(fēng)車?yán)米枇Φ耐靶物L(fēng)機(jī)為芬蘭S.Svonius于1942年取得專利這類風(fēng)機(jī)是以兩個(gè)半圓筒狀的受風(fēng)斗面對(duì)面安裝，利用離心力的作用。其原理為受風(fēng)斗上凸側(cè)和凹側(cè)的阻力不同，加上部分氣流從迎風(fēng)面的受風(fēng)斗處的縫隙間流動(dòng)到受風(fēng)造型簡(jiǎn)單易于的特點(diǎn)能夠應(yīng)分布式發(fā)電的要求本文研究對(duì)象是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的Svonius垂直型風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)作為一種小型分布式發(fā)電設(shè)備得以提出，但目前并沒(méi)有得到廣泛的使用。Savonius風(fēng)機(jī)具有低成本和對(duì)小的特點(diǎn)，同時(shí)還具有一下特征：1.2SavoniusFig.1.2SketchofSavoniuswind123、工作噪聲低，對(duì)較小，其在工作時(shí)的角速度低45、具有較高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力矩[8][9]SvoniusSvonius風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的不同布置形式進(jìn)行了探索并得出結(jié)論：不同的轉(zhuǎn)子布置形式對(duì)風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)具有顯著的影Svonius[10][14][30]0.05-0.30研究結(jié)論依然存在著一些，需要進(jìn)一步的探究。目前用的主要方法有三種，一種是風(fēng)洞試驗(yàn)，一種是理論的數(shù)值計(jì)算[11]，還有一種是基于計(jì)算機(jī)仿真的研究分析。Savonius風(fēng)機(jī)是一種垂直型風(fēng)機(jī)，其受到風(fēng)作用在受風(fēng)斗面上的阻力而進(jìn)行工功率系數(shù)p，如1所示，用來(lái)表征風(fēng)機(jī)的性能。該系數(shù)為分?jǐn)?shù)形式，分子V0具有的動(dòng)能。C

r

（1-12AV0 12AV0 在1中，P是轉(zhuǎn)子功率，M是轉(zhuǎn)子力矩，ρ是空氣密度，A是葉片的掃瓊面V0的比值，稱為葉尖速比。Svonius型風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)比之其他風(fēng)機(jī)偏低，如圖1.3所示。其中tzefficiency0.45Darrieus0.35。在空氣螺旋槳中，兩葉片風(fēng)機(jī)效率的最大值高于Darrieus的高速轉(zhuǎn)動(dòng)則會(huì)帶來(lái)隨之而來(lái)的一些問(wèn)題，比如更大的噪聲以及傳動(dòng)部件更易磨損Savonius在低風(fēng)速下就能開始運(yùn)轉(zhuǎn)，從而在低風(fēng)速地區(qū)尤其是城市地區(qū)，應(yīng)用的靈活性與廣泛的適用性要優(yōu)于其他類型的風(fēng)機(jī)。1.3各類風(fēng)機(jī)功率系數(shù)比較Figure1.3ComparisononCpofseveralwind對(duì)Svonius風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的性能的研究主要通過(guò)風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)洞試驗(yàn)[13][14][15][16][17][18]19][20]Frnndo和odi[14指出，在理論上對(duì)Savonius轉(zhuǎn)子性能的預(yù)測(cè)是的，其原因在于風(fēng)機(jī)周圍的氣流較為復(fù)雜，同時(shí)風(fēng)筒之間的相互干擾也加大了在理論上評(píng)估該型風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子性能的D’Alessandro等人[21]，AltanAtilgan[22]和med等人[23]提出一種能夠獲得Savonius轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)功率隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而呈周期性的變化，這些研究獲得了在給定旋轉(zhuǎn)速率和穩(wěn)定風(fēng)速下，轉(zhuǎn)子的性能參數(shù)（M，P，CM和Cp。這些研究表明，平[24]Savonius風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子得以提出，發(fā)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子外形的改變會(huì)顯葉片兩端的擋板、葉片比、葉片間距、葉片比[25]、葉片數(shù)目[26]、轉(zhuǎn)子洞試驗(yàn)的研究或者相關(guān)的計(jì)算機(jī)仿真，從而找出其改變對(duì)風(fēng)機(jī)功率特性的影響規(guī)律Savonius風(fēng)機(jī)性能的附件。葉片擋板的有效率的工作。其原因在于，葉片兩端的擋板能夠空氣從葉片凹面處向外部逸風(fēng)機(jī)的葉片比為風(fēng)機(jī)的高度除以其半徑關(guān)乎到風(fēng)機(jī)的重要參數(shù)指標(biāo)具有較高葉片比的Savonius轉(zhuǎn)子受葉片邊緣效應(yīng)的影響具有較低的能量損失，因此提高Savonius風(fēng)機(jī)的葉片比具有和增加葉片擋板類似的作用。研究表明，當(dāng)葉的葉片比可依據(jù)發(fā)電設(shè)備的旋轉(zhuǎn)速率的需要進(jìn)行調(diào)整。研究表明，隨著轉(zhuǎn)子的力矩和風(fēng)機(jī)的慣性的減小和葉片比的增加，風(fēng)機(jī)的角加速度得以增加。葉片間距和對(duì)轉(zhuǎn)子性能的影響的確定是對(duì)Svonius風(fēng)機(jī)研究的重點(diǎn)，許多研究表明葉片間沒(méi)有間隙能夠?yàn)榘雸A剖面葉片的轉(zhuǎn)子提供最好的性能。對(duì)于大的葉片間隙，空氣不能很好的集中在葉片的凹面處，減少了風(fēng)機(jī)的功率。對(duì)于葉片的重疊目前的研究并沒(méi)有對(duì)該參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子性能的影響達(dá)成一致的認(rèn)識(shí)Fuji[15]，葉片間的最佳范圍為葉片斗弦徑的15%lakwll[18]該參數(shù)應(yīng)為斗弦徑的10-15%。xndr，[26]和ojol[17葉片間為斗弦徑的20-30%能夠提供最好的風(fēng)機(jī)性能表現(xiàn)。Vance[9]，Blackwell等人[31]，Saha等人[16]以及Shankar等人[32]，Savonius型Savonius葉片數(shù)目會(huì)減少最大平均功率和力矩系數(shù)。到風(fēng)機(jī)上的機(jī)械能[16][33][29]。綜上，具有兩個(gè)葉片的Savonius轉(zhuǎn)子較其他葉片數(shù)目的轉(zhuǎn)子具有更大的最大平均功率系數(shù)。Saha等人[16]Hayashi等人[34]提出一種能夠在通過(guò)研究可以獲得無(wú)窮多種葉片和轉(zhuǎn)子形狀的組合，風(fēng)機(jī)性能曲線會(huì)受到不同種類的葉片和轉(zhuǎn)子的影響?！般^子形的葉片剖面作為一種典型葉片得到了廣泛的研moji等人[35]通過(guò)研究得到了鉤子0.21，而半圓0.19鉤子形葉片更高的功率系數(shù)原因在于氣流更直接的作用于葉片的邊緣，而鉤子形葉片能夠很好符合這一特點(diǎn)。面的葉片更大的力矩，和“鉤子”形剖面葉片類似。Saha等人[16]通過(guò)研究，得到了該0.31Savonius轉(zhuǎn)子得到了廣泛的研究[36]，其可被理解為具有很小高度，逐0的無(wú)限階數(shù)的轉(zhuǎn)子。螺旋轉(zhuǎn)子對(duì)風(fēng)機(jī)性能曲線的影響和增加多級(jí)轉(zhuǎn)子所造成的影響類似[37]。因此，該型轉(zhuǎn)子的力矩的波動(dòng)很小。然而，Kamoji[38]發(fā)現(xiàn)，螺旋轉(zhuǎn)子的性能表現(xiàn)和具有半圓形剖面的葉片的轉(zhuǎn)子的性能差別不是十風(fēng)機(jī)的附件也會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生一些影響，例如轉(zhuǎn)軸。根據(jù)之前對(duì)Savonius風(fēng)葉片間隙和葉片的應(yīng)該得到提升，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)軸對(duì)氣流通過(guò)的阻礙0.260.31用力占據(jù)了較大的在之前的研究中提出了減少凸面受風(fēng)阻力的方法其中包Savonius風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪效率，導(dǎo)流板就是一種輔助結(jié)構(gòu)。圖1.4為風(fēng)機(jī)導(dǎo)流板輔助機(jī)構(gòu)的示意圖，在迎風(fēng)方向，布置了abl1和l2，αβ。Burcin[39]等人發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)所布置的導(dǎo)流板，其長(zhǎng)度越長(zhǎng)，風(fēng)力作用在風(fēng)輪θ=60o和不同夾角38.5%。1.4Fig.1.4Windturbinewithcurtain矩，KunioIrabu[40]等人提出了一種將Savonius風(fēng)機(jī)布置于導(dǎo)風(fēng)箱內(nèi)的方法，如圖1.5風(fēng)方向的出風(fēng)口。述研究中，共有兩種Savonius風(fēng)機(jī)得到了研究，一種為雙葉1.231.5倍。研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)的比值λ1，和導(dǎo)風(fēng)箱內(nèi)壁之間的距離和葉片直徑之比值。當(dāng)λ1小于0.7，大于0.3的Savoniusλ21.4的時(shí)候，上述兩種Savonius風(fēng)機(jī)能夠有最大的功率。1.5Fig.1.5Windturbinewithguide-Savonius型風(fēng)機(jī)采用輔助機(jī)構(gòu)可以達(dá)到凸面受風(fēng)和負(fù)轉(zhuǎn)矩減小，增大功率的lakwll等人[28]發(fā)現(xiàn)提高雷諾數(shù)能夠影響轉(zhuǎn)子葉片的邊界層分離，增加的雷諾數(shù)推遲了轉(zhuǎn)子葉片凸面的邊界層0-180[41]運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)0時(shí)的一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)子上提升雷諾數(shù)的影響。Savonius風(fēng)機(jī)性能的因素是紊流強(qiáng)度，其表征了設(shè)備周圍的氣。Savonius風(fēng)機(jī)性能的方法是在風(fēng)機(jī)上安裝定子。定子是固定安設(shè)備的輸出med等人[42]運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法優(yōu)化了Savonius風(fēng)機(jī)的幾何外30%。。Savonius型風(fēng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子布Savonius風(fēng)機(jī)進(jìn)行Savonius風(fēng)機(jī)性能研究的結(jié)論還存存在著探索的需要。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子布置在風(fēng)洞中的時(shí)候，設(shè)備會(huì)引起氣流發(fā)生收速。因此，需要有法來(lái)估算這種改變了的風(fēng)速。Ross發(fā)現(xiàn)使用不同計(jì)算方法何尺寸和氣流參數(shù)下，不同的計(jì)算方法所得到的結(jié)果也存在著明顯的區(qū)別。Savonius風(fēng)機(jī)性能的結(jié)論存在著明顯的不同，因此需要注DarrieusSavonius型風(fēng)機(jī)組合起來(lái)，組成新的轉(zhuǎn)子取SSavonius型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)機(jī)性能。這些因素主要是風(fēng)機(jī)的外形。葉片兩端的擋板可以組織空氣從葉片凹面處向外部逸散從而增加最大平均功率系數(shù)；風(fēng)機(jī)葉片10%-15%左右時(shí)風(fēng)機(jī)性能更優(yōu)；Savonius響與多級(jí)轉(zhuǎn)子的影響類似都可以降低波動(dòng)當(dāng)組合Savonius風(fēng)輪與Darrieus風(fēng)SavoniusCFDSavonius型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了仿真和改進(jìn)，對(duì)Savonius型風(fēng)力機(jī)建立了數(shù)值模型，并且使用增加導(dǎo)流板的方法以改進(jìn)風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率，克服了Savonius型風(fēng)機(jī)的固有缺陷。主要研究?jī)?nèi)容如下：力發(fā)電系統(tǒng)的原理以及在大型電廠、小型分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)中的具體應(yīng)用。然后選擇Savonius際的k-ε模型來(lái)實(shí)現(xiàn)湍流的仿真。FluentGambit繪制網(wǎng)格，在Fluent中建立數(shù)值模型。第二章究的基本理論與方115平方向垂直，多數(shù)情況下隨風(fēng)向變化而迎風(fēng)回轉(zhuǎn)，需要根據(jù)來(lái)流方向的變化隨時(shí)調(diào)2片繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。垂直軸風(fēng)可以利用來(lái)自各個(gè)方向的風(fēng)能，因此沒(méi)有必要根據(jù)風(fēng)的方向調(diào)整位置同時(shí)垂直軸風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單建造成本低廉易于但其固有的缺點(diǎn)是比起水平軸式風(fēng)機(jī)，垂直軸式風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率較低。2.1Fig.2.1Definitionofliftanddrag在葉片上下翼面的壓力差。阻力被定義為向和來(lái)流同向的作用力，其產(chǎn)生的的作用，升力越大，其可提升的質(zhì)量就越大。Hansen升力和阻力的比值應(yīng)當(dāng)最CLCD定義如下。CCLCCD

12V12V012V0

（2-（2-其中，ρ為空氣密度，c2-12-2中升力和阻力N/mDarrieus型風(fēng)機(jī)為代表，主要利用葉片上下翼的壓力差來(lái)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)。阻力型風(fēng)機(jī)以Savonius型風(fēng)力機(jī)為代表。100kW小型風(fēng)機(jī)的額定功率范圍為1-100kW，與大型風(fēng)機(jī)相比在額定功率和結(jié)構(gòu)大小上存本文研究的Savonius風(fēng)能可以看做氣流的動(dòng)能[46]，把風(fēng)看做有質(zhì)量的物體，那么它的動(dòng)E12

（2-m為氣體的質(zhì)量；v如果單位時(shí)間內(nèi)氣流流過(guò)截面積為S的氣體的體積為V，那VρV

（2-mV （2-

E1SV2

（2-這就是風(fēng)能的表達(dá)式。在國(guó)際單位制中，ρ的單位是kg/m3；V的單位是m3的單位是m/s；E的單位是W[47]

12V12VP

（2-P表示了風(fēng)力機(jī)在來(lái)風(fēng)作用下，通過(guò)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)而獲得的實(shí)際軸功率，其單W；ρkg/m3；Sm2v指的是上游風(fēng)速，其單位為m/s。λ是一個(gè)重要的特性指數(shù)。其定義為，為了表示風(fēng)機(jī)葉片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)價(jià)，稱為葉尖速比??=2π????=???? nr/s；ωR是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的半徑，單位為m；v是上游風(fēng)速，單位為m/s在給定風(fēng)機(jī)槳距的情況下，風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)CP和葉尖速比λ存在一個(gè)相對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體如圖2.2所示。在一定的λ取值范圍內(nèi)，風(fēng)能利用系數(shù)隨著λ的上升而上升，二者呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)λ超過(guò)一個(gè)臨界值的時(shí)候，風(fēng)能利用系數(shù)則隨著λλ也就是最優(yōu)的葉尖速比。2.2CP-λFig.2.2CP-λcurveofwind德國(guó)的貝茲（Betz）1926年最先建立了風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)理論[48]速v2為離風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)處的下游風(fēng)速S1，風(fēng)機(jī)所獲得的機(jī)械能由空氣的動(dòng)能補(bǔ)S2S1。2.3Fig.2.3FlowchartofwindS1v1S

（2-風(fēng)機(jī)上的氣流作用力可由定理得FSv(v1v2

（2-

PFvSv2(v1v2

（2- ESv(v2v2

（2-P=ΔE

v1(vv

（2- F1Sv(v2v2

（2- P1Sv(v2v2)(vv

（2-

811

（2-PmaxS大值 160.593P CP<0.593。電的系統(tǒng)中，普遍采用的是一種最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）[49]控制策略。其控制的吸收風(fēng)能。當(dāng)前，一般采用三種方法來(lái)進(jìn)行MPPT，分別為：葉尖速比控、爬山CFDFluent、OpenFOAMCFD計(jì)算流體力學(xué)（computationalfluiddynamics，以下簡(jiǎn)稱CFD）是一種研究流體組將離散點(diǎn)的物理參數(shù)進(jìn)行整合和約束。CFD數(shù)值計(jì)算模擬中所采用的方程組通常計(jì)算機(jī)對(duì)空間流場(chǎng)進(jìn)行圖像化處理。因此，CFD方法是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要濟(jì)可行性。因此，CFD作為一種計(jì)算研究方法可以很好的和模型試驗(yàn)形成互補(bǔ)。FluentCFD計(jì)算。但不可忽視的是，CFD計(jì)算復(fù)雜，而自編軟件又會(huì)根據(jù)所實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景以及應(yīng)用平臺(tái)的不同而出現(xiàn)互不兼容、或缺少功能的問(wèn)題；同時(shí)，CFD的特性更偏向于系統(tǒng)CADCFD軟件的兼容，使使用者可中，F(xiàn)LUENT軟件是由ANSYS公司于1983年推出的計(jì)算流體力學(xué)軟件，繼PFOENICS軟件之后FLUENT決工程問(wèn)題中得到了廣泛的使用。本文的計(jì)算都是基于FLUENT軟件進(jìn)行的。FLUENT相較于傳統(tǒng)的CFDFluent軟件包括如下子模塊：Gambit、Fluent、Fidap、Polyflow、Mixsim以及格的求解器，F(xiàn)idap為基于有限元方法的求解器，Polyflow器，Mixsim為針對(duì)攪拌混合問(wèn)題的計(jì)算軟件，Icepak為針對(duì)熱控分析的計(jì)算軟件。GambitFluentGambitFluentFluent對(duì)i(u)i

（2- （其中uixi為坐標(biāo)分量(u)

(uu)p

[(uiuj2

uk

（2- i 3ij （p為動(dòng)力粘性系數(shù)）(E)

[ui(Ep)]

(K

uiij

（2- （其中

(uiuj2

ij N-S方程出發(fā)的直接數(shù)據(jù)模擬、需要借助湍流模型求解的雷諾平均直接數(shù)值模不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)的控制方程是-方程，簡(jiǎn)稱N-S方程，它在 1 iuji i

ui

xj

（2-（2-初始條件為 u(x,0)V （2- 邊界條件為

U(x,t),p(x)

（2-i N-S方程。不同的是，層流的雷諾時(shí)出現(xiàn)N-S方程的分岔解；高雷諾數(shù)的湍流下，則出現(xiàn)N-S方程的漸近不規(guī)則解。N-S方程出發(fā)，直接對(duì)所有尺度的湍流進(jìn)行求解，不需要建立RANSN-S方程做系統(tǒng)平均，把各個(gè)物理量分 uv ff(x,t)f(x,tfx, uv f

u1p

（2-ij i jj jij i jj

x i （2-ii系統(tǒng)平均后的N-S方程整理后為：u

u 1p

2u

uu u

v x

i

（2- u iuiiN-S方程減去雷諾平均方程，可得脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制

u

1

i

iu i

v iijjijj

（2-jjj jjj

j

x i ii （iiN-Su'u力，稱之為雷諾應(yīng)力，為方便起見(jiàn)，將雷諾應(yīng)力表示為ij而不同情況場(chǎng)的幾何邊界是千差萬(wàn)別的，因此，不可能將脈動(dòng)解用一個(gè)解析式來(lái)表達(dá)。因而不存在能夠滿足所有湍流運(yùn)動(dòng)的計(jì)算模型。范圍。一種和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好的流動(dòng)模型可能并不會(huì)很好的滿足其他的流動(dòng)，存[21]：量函數(shù)的可表性原則；關(guān)于參照系統(tǒng)的不變性原則；真實(shí)性原則；Lumlyu'u'(uiuj)2(kui

（2-i

其中，為渦粘系數(shù)，u為時(shí)間平均的速度，k為湍動(dòng)能方程模型（SA模型）和兩方程模型（k模型。SA模型通過(guò)對(duì)一個(gè)中間變量進(jìn)行求解進(jìn)而通過(guò)求解的輸運(yùn)方程為（2-渦粘系數(shù)與變量的關(guān)系為（2-X

1XX

3

fv2

1

，f wg6wgr

(r6r)，r ，S|S| f2

w

S2d

2cb10.1355,2/3,cb20.622,

（2- （2-kk模型k2ktC

（2-

(i)(i(i)(i

（2-k和

(k)(kui)

[(t)k]

（2- ()(u)

（2-kt C kt C

k1.0,1.2,C2C1

(2E?(2E?E) E1(uiuj 2 C

AAU*k/ 1cos1(6W),WEijEjkij (EEijU*

,'2,

''

（2-EijEijij EijEijij''ij是時(shí)均轉(zhuǎn)動(dòng)速率量，在沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)中，''ij的值為零，這一項(xiàng)表示轉(zhuǎn)對(duì)模型的影響。事實(shí)證明，有很多種流場(chǎng)都已用Realizablek模型有效模擬，k模型都對(duì)充分發(fā)展的湍流模擬具有適用性，也就是適用于高雷諾數(shù)下的流大渦模只對(duì)小尺度脈動(dòng)建模。具體實(shí)現(xiàn)方法是先把小尺度脈動(dòng)做空間的過(guò)濾，并對(duì)小尺度脈動(dòng)建模來(lái)封閉大尺度運(yùn)動(dòng)方程，根據(jù)控制方程模擬大尺度運(yùn)動(dòng)。湍流的三種基本模擬方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中，S中當(dāng)屬最高，能夠較為準(zhǔn)確地得到流場(chǎng)的瞬間信息以及脈動(dòng)信息；但是它帶來(lái)的計(jì)S需計(jì)算量最?。蝗秉c(diǎn)是只能得到平均值，無(wú)法得到準(zhǔn)確的脈動(dòng)信息，有一定的局限LESS很大的計(jì)算量，其中邊界層內(nèi)的網(wǎng)格就占了很大部分。本文關(guān)注的是風(fēng)機(jī)葉片對(duì)轉(zhuǎn)S方法。限差分法的內(nèi)容和操作方法。由于它可方便地利用多種類型的網(wǎng)格（結(jié)構(gòu)網(wǎng)格乘方格式等，還有高階的迎風(fēng)格式和QUICK格式等。低階格式的計(jì)算效率一般比較SIMPLE、SIMPLER、SIMPLECPISO算法等，其中后三種是在SIMPLE算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的。SIMPLE算法是指“求解壓力耦合方程組的半隱式方法”SIMPLE算法。果湍流場(chǎng)是統(tǒng)計(jì)定常的，得到湍流脈動(dòng)量的時(shí)間序列就能得到脈動(dòng)信息。采用計(jì)算機(jī)來(lái)數(shù)據(jù)湍流脈動(dòng)的需要滿足以下要求測(cè)量的精度和采樣頻率Df2fn2nf[53]。常見(jiàn)的速度測(cè)量方法有熱絲風(fēng)速計(jì)法、激光法和粒子圖像測(cè)速法（PIV）（SP量依然是個(gè)很的技術(shù)。另一方面，可以通過(guò)PIV測(cè)速法所得到的速度數(shù)據(jù)代U分為時(shí)均速度和瞬時(shí)脈動(dòng)速度，UU （2-(UiU2??(UiU2uv(VVi(VVi(WWiuv(UiU)(ViVuw(UiU)(WiW湍動(dòng)能k

vw(ViV)(WiW

（2-k1(u2v2w2)

（2-在圓柱坐標(biāo)系中，三個(gè)速度分量為UX、Ur和U，雷諾正應(yīng)力為u2、u2、和u2雷諾偏應(yīng)力為uxur、uxuθ和uruθ。計(jì) 如下

Ur0 sinV

（2-U0 cosW u2

cos2

sin2

2sin

u2

（2-u2

2sin

v2uu

sin sin cos2sin2w2r

uu

cosuxuruv（uxuruv（2-(P(Pi

PP

（2-p'

（2-本章介紹了研究涉及的基本理論與應(yīng)用的基本方法。2.1-2.3小節(jié)介紹了風(fēng)機(jī)的Savonius型風(fēng)力機(jī)屬于小型垂直軸式風(fēng)力機(jī)。在計(jì)算通過(guò)利用系數(shù)Cp來(lái)衡量，其他重要的系數(shù)還有葉尖速比λ、力矩系數(shù)Cm等。德國(guó)的貝茲2.4-2.8CFD方法及其在風(fēng)機(jī)研究上面的應(yīng)用，還介紹了空氣的基本方來(lái)研究流體力學(xué)，其可信性由實(shí)際試驗(yàn)來(lái)確定。Fluent是一種應(yīng)用CFD方法進(jìn)行研Savonius型風(fēng)力機(jī)的具體特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，選用了雷諾平均值模擬方法中的k模型、有限體積法、SIMPLE方法。第三章Savonius機(jī)模型建文的理論基礎(chǔ)之上，本文采用Gambit軟件進(jìn)行仿真的前處理，進(jìn)行實(shí)體的Fluent軟件，定義求解器并進(jìn)行求解。在創(chuàng)立模型的本文研究的風(fēng)機(jī)尺寸如圖3.1所示風(fēng)機(jī)的尺寸與文獻(xiàn)[28]保持一致葉片180度的半圓形構(gòu)成，兩個(gè)葉片中間的間距為，半圓的直徑為dh。主要的幾個(gè)葉型參數(shù)如下葉片圓弧直徑d為.5m，葉片/d=0.1，葉片高度h1m面化。3.1SavoniusFigue3.1ConfigurationofSavoniusGambit3.2Vw表示來(lái)流速度，θ表示葉3.2GambitFigure3.2Configurationof2Dbladesin量的前提下，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格會(huì)得到更好的計(jì)算速度和計(jì)算精度，被的選用在了工interface來(lái)進(jìn)行能量交換。三種3.3所示。 Structuredmesh-

（b）Structuredmesh-（c）mixed3.3Figure3.3Comparisonofstructuredmeshesandmixed的網(wǎng)格的中間設(shè)置interface進(jìn)行銜接和過(guò)度。inletoutlet（symmetry距離10m，這種計(jì)算域范圍很大，葉片兩側(cè)各自預(yù)留了10倍的葉片直徑，能夠更好的表達(dá)周圍流場(chǎng)，但同時(shí)也需要的計(jì)算空間。通過(guò)比較計(jì)算所得的云圖來(lái)選定（a）(a)Calculationarea

（b）（b）Calculationarea3.4計(jì)算域大小比較——Figure3.4Comparisonofcalculationareasthroughcontourof（文基礎(chǔ)上，在FLUENT軟件中簡(jiǎn)歷風(fēng)機(jī)的數(shù)值模型。其中涉及到風(fēng)機(jī)建模的計(jì)算機(jī)仿真過(guò)程中采用雷諾平均化N-S方程(u)x(uu)p(uiu

u') i

（3-（123up為流體壓力；ρ為流體密度；μ為流體動(dòng)力粘度；S為源。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型：(k)(kuj)tk

x

x j

k j （3-

ui C t 1GkC2

xj

xj

（3-GkC1e=1.44，C2e=1.92FLUENT未知的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的形式?jīng)Q定于當(dāng)前解。FLUENT在每個(gè)時(shí)間間隔，則會(huì)參考邊Fluent中，在每一步計(jì)算之交界面在靜網(wǎng)格和格之間并進(jìn)行迭代，同時(shí)格按照制定的方式運(yùn)動(dòng)。n-LucMenet等人的研究表明，應(yīng)用格和靜態(tài)網(wǎng)格對(duì)Savonius風(fēng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算所得到的結(jié)果差異如圖3.5所示表明兩者之間的差異不明顯[55]，不超過(guò)3.5Fig3.5.Momentcoefficientsofstaticanddynamic基于前文的理論依據(jù)選用Realizablek-ε壁面選擇增強(qiáng)（EnhancedWallFn3.6所示。3.6FluentFigure3.6Viscousmodelsettingin流體設(shè)置為空氣，密度1.225kg/m3，粘度1.7894*10-5kg/ms。邊界條件設(shè)置[56]按照上文所說(shuō)。此處在左側(cè)速度（14m/s）進(jìn)行更進(jìn)一步的參數(shù)討論。k與ε的設(shè)湍流強(qiáng)度計(jì)算I0.16*

（3-式中：I是湍流強(qiáng)度，Re是雷諾數(shù)；lLI

（3-k3/2*

*I

（3-u是平均速度，Iεklk3/k 3/C ????0.09

（3-k0.44，ε0.68由于采用混合網(wǎng)格，需要設(shè)置interface。Interface為內(nèi)外相交的圓形區(qū)域。在兩個(gè)面內(nèi)分別選中圓形線，設(shè)置為interface。3.7所示，選擇SIMPLE3.7FluentFigure3.7Solversettingin求解控制條件采用默認(rèn)。收斂條件為三個(gè)方向的速度以及k、ε等關(guān)鍵參數(shù)都達(dá)到10-6。此外，在監(jiān)視器中添加力矩系數(shù)Cm，以便葉片對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的力矩是否Fluent開始計(jì)算后不斷進(jìn)行迭代，直至計(jì)算結(jié)果滿足事先設(shè)置的計(jì)算精度3.8CFDFigure3.8ProcessesofCFD計(jì)算力矩時(shí)，都沿用上文選定的模型參數(shù)，入射角度θ45度，應(yīng)用Fluent作為流口，Vw=14m/s，時(shí)間屬性為定常流動(dòng)各種算例下以上條件保持一致仿真計(jì)算10-6，結(jié)果如下表所示。3.1Table4.1Meshindependent靜態(tài)力矩123210.1%2度的要求是可以選用的方算例1與算例2相比二者計(jì)算結(jié)果差異僅為0.1%，312的結(jié)30.7%21.7104盡可能減小計(jì)算量。Y+Y+取值應(yīng)0-505設(shè)為0.05mm、1mm以及2mm。所得結(jié)果如表4.2所示，可以看出算例1以及算例3的y+2得出的y+值則符合理論語(yǔ)氣，因此最后選定首1mm5。3.2Table4.2Boundary150-250-350-FluentGambit軟件建立Gambit端則選擇四邊形網(wǎng)格，在兩者之間設(shè)置interface；根據(jù)對(duì)物理現(xiàn)象的還原選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算域大小，選定了20m*40m的計(jì)算域，并合理定義四邊形計(jì)算域的四個(gè)邊界條件分別為速度、壓力出口以及兩運(yùn)用Fluent軟件建立仿真模型，根據(jù)流體的基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)合本文算例選擇并1.7*104；1mm5層。第四章Savonius風(fēng)機(jī)模型驗(yàn)證及比本文研究的風(fēng)機(jī)葉片在本質(zhì)上是一個(gè)三維的問(wèn)題因?yàn)槠湫螤詈?jiǎn)單文的計(jì)算中都運(yùn)用了二維的仿真模型，對(duì)模型進(jìn)行了一定程度上面的簡(jiǎn)化。人的研究Savonius1m20m*40m*1m4.1所示。4.1Figure4.1Configurationof3D1.04*106。Fluent中的設(shè)置沿用前文的選擇選擇基于壓力的求解（Prur-bdolver，時(shí)間屬性設(shè)置為定常流動(dòng)（Stedy，速度屬性為絕對(duì)速度?；谇拔牡睦碚撘罁?jù)，選用liblek-ε模型，壁面選擇增強(qiáng)型（EnhndllFn。流體設(shè)置為空氣，空氣的各項(xiàng)參數(shù)選擇與默認(rèn)相同。在邊界條件的設(shè)定中，首先將intrfe作為兩種網(wǎng)格交界處的圓環(huán)面的定義，其次將壁面作為葉片的定義。六個(gè)面的定義方式分為別為左側(cè)定義為速度 （locityinlt右側(cè)出口定義為壓力出（rureoutlt，葉片被對(duì)稱隔開的面定義為對(duì)稱面（symmtry，其他前后兩個(gè)面以及上表面定義為壁（ll求解器的設(shè)置與二維的情況相同選擇SIPLE以及二階方程在監(jiān)視其中依舊增加力矩系數(shù)m以便直觀的看出力矩何時(shí)達(dá)到收斂同時(shí)因?yàn)閷?duì)三維模型不能要求與二維模型達(dá)到完全相同的精度，所以在三維模型的殘差選擇10-4，對(duì)三個(gè)方向的速度以及k和ε都進(jìn)行同等的設(shè)置。RobertE.Sheldahl等人對(duì)此風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)[28]本文選取風(fēng)洞的靜態(tài)試驗(yàn)作為參照對(duì)象。Robert的靜態(tài)試驗(yàn)的具體方法是，把風(fēng)機(jī)10度變動(dòng)一次，通過(guò)葉片與來(lái)流方向相對(duì)角度的變化來(lái)模擬不同的來(lái)流方向以及葉片轉(zhuǎn)動(dòng)到不同位置時(shí)的風(fēng)機(jī)表現(xiàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量了θ在特定位本文數(shù)值模型的校正基礎(chǔ)。葉片轉(zhuǎn)動(dòng)以180°為一個(gè)周期，從風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)和本文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，葉片在15°到105°之間輸出力矩較大[57]，而在其余范圍內(nèi)輸出及k和ε的殘差都能夠降低到10-6以下，Cm在此也達(dá)到穩(wěn)定值。對(duì)于三維模型，通常在200-300步時(shí)實(shí)現(xiàn)了收斂，速度、連續(xù)性以及kε的殘差都能夠降低到10-4以4.24.2Figure4.2Comparisonofstatictorquethrough2Dand3D吻合，且誤差都在10%4.3（a） （b）4.3Figure4.3Comparisonofvelocitycontourof2Dand3D14m/sθ25°的位置23-24m/s之間，均出現(xiàn)在迎風(fēng)葉片的頂端以及背風(fēng)葉Savonius型風(fēng)機(jī)是兩葉片標(biāo)準(zhǔn)式的演變，由三個(gè)半圓形葉片構(gòu)成，每?jī)?010度，在本研究 4.4SavoniusFigure4.4Configurationof3-bladeSavonius網(wǎng)格的方式。在靠近葉片的區(qū)域內(nèi)選擇三角形網(wǎng)格進(jìn)行堆疊；在葉片的遠(yuǎn)端選擇四邊形網(wǎng)格以intrfe之前所得的結(jié)論來(lái)調(diào)整網(wǎng)格的大小與密度。計(jì)算域還是沿用研究中所確定的20m*40m1mmmbit作圖2.1*104個(gè)網(wǎng)格。4.5SavoniusFigure4.5Meshof3-bladeSavoniusFluent參數(shù)設(shè)置與兩葉片的二維模型保持一致。選擇基于壓力的求解器solver（SteadyFninletoutlet（Symmetry4.6所示。4.6SavoniusFigure4.6Velocitycontourof3-bladeSavoniusrotor10-6以4.7Figure4.7Validationof3-blade2D4.24.7180o為125-185o范圍時(shí)，靜態(tài)50o120o為一個(gè)循環(huán)，具有兩葉片轉(zhuǎn)子的靜態(tài)力矩的最大幅值是三葉片1.75105o，225o345o然后在15o235o345o力的區(qū)域的減小。然而，三葉片轉(zhuǎn)子的靜態(tài)力矩在其旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，始終保持為正數(shù)。為了確保轉(zhuǎn)子能夠在任何初始角度下啟動(dòng)，作用在轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)力矩必須超過(guò)4.27m/s14m/s36Nm，而7m/s9Nm，兩者相差四倍。三葉片風(fēng)機(jī)在14m/s24Nm7m/s14m/s7m/s全年風(fēng)力分布中的較大，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮兩葉片風(fēng)機(jī)以在同樣的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)獲得更大的風(fēng)能利用率。如果低俗風(fēng)在全年風(fēng)力分布中的時(shí)間較多，則應(yīng)選擇起動(dòng)相對(duì)況中也要考慮儲(chǔ)能設(shè)施、是否接入電網(wǎng)、風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制問(wèn)題，本文中不做展開。10%以內(nèi)，因此該數(shù)值模型能夠?yàn)橹蟮臄?shù)值計(jì)算提供較為可靠Svonius風(fēng)機(jī)時(shí)，同樣采用數(shù)值仿真的方法。為三葉片20%驗(yàn)證了三葉片風(fēng)機(jī)仿真模型的可行性。然后比較兩葉片以及三葉片風(fēng)機(jī)的靜態(tài)力矩180120度為一個(gè)周期發(fā)生變化。兩葉片風(fēng)機(jī)能夠達(dá)到的力矩的最大值大于三葉片風(fēng)機(jī)，但是最小值也太小。從起動(dòng)力矩的角度來(lái)看，三葉片風(fēng)機(jī)比兩葉片風(fēng)機(jī)更容易在任意角度下起動(dòng)。第五章導(dǎo)流板改進(jìn)風(fēng)機(jī)風(fēng)能利盡管對(duì)于該型風(fēng)機(jī)的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但是Savonius型風(fēng)機(jī)的固有缺點(diǎn)依然存在，Savonius風(fēng)力機(jī)的整體風(fēng)能利用率較其他風(fēng)機(jī)偏低。因此，需要對(duì)該型風(fēng)機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，以規(guī)避上述問(wèn)題。BurcinDedaAltan、KunioIrabu等人[58][59][60]提出了應(yīng)用導(dǎo)流板來(lái)增加風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的方法。BurcinDedaAltan等人在38.5%。KunioIrabu等人提出了一種將Savonius風(fēng)機(jī)布置于導(dǎo)風(fēng)箱內(nèi)的方法。該導(dǎo)風(fēng)箱開有究結(jié)果表明，導(dǎo)風(fēng)箱的存在可以使得雙葉片風(fēng)機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化率提高了1.23倍，三葉的長(zhǎng)度用L表示，α用來(lái)表示導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角，x則表示導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)5.1Figure5.1Savoniusrotorwith間用interface1mm，5層。5.2Figure5.2MeshofSavoniusrotorwithαLx。Fluent常流動(dòng)，速度屬性為絕對(duì)速度。選用Realizablek-ε模型，壁面選擇增強(qiáng)型（EnhancedFn（Velocityinletoutlet（symmetry以及k、ε等關(guān)鍵參數(shù)都達(dá)到10-6。此外，在監(jiān)視器中添加力矩系數(shù)Cm，以便葉Fluent開始計(jì)算后不斷進(jìn)行迭代，直至計(jì)的θ5.1所示，5.1Table5.1ExperimentnningofwindturbinesimulationwithαLxαLx2

α對(duì)葉片力矩的影響。導(dǎo)流板與來(lái)L1m0.025mα30°45°、60°5.3θ35°、45°55°的情況作為對(duì)比分析。5.3αFigure5.3Influencesofαonstatic5.360°20%-30%30°10%-20%45°15%-30%αα30為、4560為的情況下，60°時(shí)，導(dǎo)流板帶來(lái)的效率提升最為明顯。θ=45°5.4所示。與無(wú)導(dǎo)流板的情況相比，風(fēng)機(jī)附近最大速度有所降低23.5m/s降低到21.5m/s，迎風(fēng)葉片出現(xiàn)最大速度的位置基本不變，另一個(gè)葉片上出現(xiàn)最大速度的位置則由葉片尖端向內(nèi)靠近?？拷~片地方的最小速α角度的增加，隨風(fēng)葉片被導(dǎo)流板所遮擋的區(qū)域增加，對(duì)5.4θ=45°Figure5.4Velocitycontourwith

Lx=0.025mL0.6m、1.4m5.5LFigure5.5InfluencesofLonstatic圖5.5的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)導(dǎo)流板長(zhǎng)度L=0.6m時(shí)，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩平均提高25%左右，而當(dāng)導(dǎo)流板長(zhǎng)度L=1.4時(shí)，這一數(shù)值可以達(dá)到30%-40%。因此可以5.6所示。

5.6θ=45°Figure5.6Velocitycontourwith討論導(dǎo)流板距葉片轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域的距離xL=1m，導(dǎo)流板與來(lái)流方向的夾角α=60°，x0.025m、0.01m0.04m5.7xFigure5.7Influencesofxonstatic5.7x=0.04m時(shí)，θ=35°對(duì)比幾種情況發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)不同的導(dǎo)流板位置x，葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩均提高了20%-θ=45°5.8所示。兩個(gè)速度云圖呈現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律以及流場(chǎng)x的大小對(duì)風(fēng)機(jī)靜態(tài)特性的影響微乎其微。

5.8θ=45°Figure5.8Velocitycontourwith本章旨在探討有效提高Savonius型風(fēng)力機(jī)風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率的方法。人對(duì)導(dǎo)Svoniusα30為、4560為的情況下，60°時(shí)，導(dǎo)流板帶來(lái)的效率提升最為明顯，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)20%-30%L.6m25%L1.430%-40%x小對(duì)風(fēng)機(jī)靜態(tài)特性的影響微乎其微。Savonius型風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率不高的缺陷。導(dǎo)流板對(duì)其他種類的風(fēng)機(jī)葉片第六章束閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹了新能源利用的大背景以及Savonius型風(fēng)機(jī)方法以及如何在風(fēng)機(jī)研究中運(yùn)用CFD方法進(jìn)行了原理性的說(shuō)明。GambitFluent中建立數(shù)值模型。根據(jù)計(jì)算精度的要求，象的還原選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算域大?。缓侠矶x四邊形計(jì)算域的邊界條件；根據(jù)流10%以內(nèi)，因此該數(shù)值模型能夠?yàn)橹蟮臄?shù)值計(jì)算提供較為可靠的計(jì)算基礎(chǔ)。4）Savonius風(fēng)機(jī)的靜態(tài)力矩特性以5位置情況下葉片周圍的流場(chǎng)分布以及葉片對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的靜態(tài)力矩。分析不同因素對(duì)Svonius型風(fēng)機(jī)的60°時(shí)力矩提30°45°導(dǎo)流板位置對(duì)葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩的提升的差異并不明顯。Savonius型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率改進(jìn)起到一定的指導(dǎo)作用，但是由于筆者掌握的知識(shí)有限，且從事研究工作與撰寫的時(shí)間功率系數(shù)Cp與葉尖速比的關(guān)系；Savonius型風(fēng)力機(jī)可以應(yīng)用在偏遠(yuǎn)地區(qū)的海島發(fā)電上，那么可以驗(yàn)證仿真的風(fēng)力機(jī)能夠得到的機(jī)械功率大小，則能夠通過(guò)仿真方法來(lái)進(jìn)行Savonius型風(fēng)力機(jī)[1]《2013年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》課題組20132014年展望[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì),2014,[2],,王海寬,等.我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化,2008(2):38-39.[3]孚.小型風(fēng)力發(fā)電行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·新能源產(chǎn)業(yè),2007(1).[4]劉飛,,臧建彬.Savonius風(fēng)力機(jī)的適用性分析[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2010,31(3):91-93.[5],,杜華夏,等.小型家用垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].能源技術(shù),2007,28(5):279-283.［EB/OL．1[7].Darrieus-Savonius組合風(fēng)輪氣動(dòng)性能的研究[J].能學(xué)報(bào),1992,239-[8]SavoniusSJ.TheS-rotoranditsapplications[J].Mech.Eng,1931,53:333-[9]VanceW.Verticalaxiswindrotors-statusandpotential[J].fromWindEnergyConversionSystems,1973:28-30.MenetJL.Adouble-stepSavoniusrotorforlocalproductionofelectricity:adesignstudy[J].Renewableenergy,2004,29(11):1843-1862.FujisawaN.VelocitymeasurementsandnumericalcalculationsofflowfieldsinandaroundSavoniusrotors[J].Journalofwindengineeringandindustrialaerodynamics,1996,59(1):39-50.STI/ReconTechnicalReportN,1974,75:22669.田,,馮放,等.Savonius風(fēng)力機(jī)力矩特性的數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)研[J].可再生能源2013,31(002):15-,原豐,林農(nóng).Savonius風(fēng)力機(jī)葉片比的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[J].能學(xué)報(bào),2009,30(2):226-231.FernandoM,ModiVJ.AnumericalysisoftheunsteadyflowpastaSavoniuswindturbine[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1989,32(3):303-327.[16]FujisawaN.OnthetorquemechanismofSavoniusrotors[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1992,40(3):277-292.SahaUK,ThotlaS,MaityD.OptimumdesignconfigurationofSavoniusrotorthroughwindtunnelexperiments[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,2008,96(8):1359-1375.MojolaOO.OntheaerodynamicdesignoftheSavoniuswindmillrotor[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1985,21(2):223-231.,仁飄零,.一種新型垂直軸風(fēng)力機(jī)的CFD分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2012,33(1):63-66.,,王東興,等.小型Savonius風(fēng)機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與仿真分析[J].能源與節(jié)D’AlessandroV,MonpareS,RicciR,etal.UnsteadyAerodynamicsofaSavoniuswindrotor:anewcomputationalapproachforthesimulationofenergyperformance[J].Energy,2010,35(8):3349-3363.AltanBD,At?lganM,?zdamarA.AnexperimentalstudyonimprovementofaSavoniusrotorperformancewithcurtaining[J].Experimentalthermalandfluidscience,2008,32(8):1673-1678.medMH,JanigaG,PapE,etal.OptimalbladeshapeofamodifiedSavoniusturbineusinganobstacleshieldingthereturningblade[J].EnergyConversionandManagement,2011,52(1):236-242.SargolzaeiJ,KianifarA.ModelingandsimulationofwindturbineSavoniusrotorsusingartificialneuralnetworksforestimationofthepowerratioandtorque[J].SimulationModellingPracticeandTheory,2009,17(7):1290-1298.,原豊,.葉片比對(duì)Savonius風(fēng)力機(jī)性能的影響[J].可再生能源,2008,26(3):31-33.,王亞軍,,等.Savonius型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].能源技術(shù),2009(4):215-218.AkwaJV,VielmoHA,PetryAP.AreviewontheperformanceofSavoniuswindturbines[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2012,16(5):3054-3064.[28]VanceW.Verticalaxiswindrotors-statusandpotential[J].fromWindEnergyConversionSystems,1973:28-30.EngineeringandIndustrialAerodynamics,1978,3(4):343-351.UshiyamaI,NagaiH.OptimumdesignconfigurationsandperformanceofSavoniusrotors[J].WindEngineering,1988,12(1):59-75.SheldahlRE,FeltzLV,BlackwellBF.Windtunnelperformancedatafortwo-three-bucketSavoniusrotors[J].JournalofEnergy,1978,2(3):160-ShankarPN.Developmentofverticalaxiswindturbines[J].ProceedingsofthenAcademyofSciencesSectionC:EngineeringSciences,1979,2(1):49-66.NakajimaM,IioS,IkedaT.PerformanceofSavoniusrotorforenvironmentallyHayashiT,LiY,HaraY.Windtunneltestsonadifferentphasethree-stageSavoniusrotor[J].JSMEInternationalJournalSeriesB,2005,48(1):9-16.KamojiMA,KedareSB,PrabhuSV.ExperimentalinvestigationsonsinglestagemodifiedSavoniusrotor[J].AppliedEnergy,2009,86(7):1064-1073.,,周大慶,等.基于數(shù)值模擬Savonius風(fēng)力機(jī)性能優(yōu)化研究[J].能學(xué)報(bào),2010,31(7):907-911.,,,等.基于部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋形Sav