变尖速比下垂直轴风力机流场模拟与翼型设计方法研究

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1、博士学位论文变尖速比下垂直轴风力机流场模拟与翼型设计方法研究RESEARCHONFLOWFIELDSIMULATIONANDAIRFOILDESIGNMETHODFORVERTICALAXISWINDTURBINESOPERATINGATVARIABLETIPSPEEDRATIOS梅毅哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TK83学校代码：10213国际图书分类号：621.892.8密级：公开工学博士学位论文变尖速比下垂直轴风力机流场模拟与翼型设计方法研究博士研究生：梅毅导师：曲建俊教授申请学位：工

2、学博士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK83U.D.C.:621.892.8DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONFLOWFIELDSIMULATIONANDAIRFOILDESIGNMETHODFORVERTICALAXISWINDTURBINESOPERATINGATVARIABLETIPSPEEDRATIOSCandidate：Mei

3、YiSupervisor：Prof.QuJianjunAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechanicalDesignandTheoryAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要近年来，为建设可持续发展城市，开发城市风能

4、已成为世界风能利用的一个新方向。H型垂直轴风力机具有结构紧凑、无需对风、易安装和维护方便等优点，比传统的水平轴风力机更适合用于城市风力发电。然而，针对H型垂直轴风力机流场以及翼型设计相关问题的研究较少，不利于改善风力机的气动特性，阻碍了该种类型风力机的进一步推广和应用。因此，本文进行了以下系统的研究。应用相似理论和量纲分析法确定了实验风轮尺寸的设计原则，设计加工了风轮实验台，并给出气动特性数据的测量方法，为进行相关实验验证奠定基础，使风洞实验研究结论可用于指导真实风力机气动设计。以一台H型垂直轴风力机实验

5、模型机为研究对象，结合实验数据研究了+不同湍流模型、网格单元类型、y值和时间步长四个数值模拟参数对变尖速比条件下H型风轮气动特性URANS模拟结果的影响。综合考虑计算精度和计算时间，确定了URANS方法模拟变尖速比下H型垂直轴风力机气动特性时的主要模拟参数取值。采用URANS方法模拟了变尖速比下H型垂直轴风力机流场，结果表明：低尖速比时风轮流场的主要特征为叶片表面失速涡频繁地生成和脱落，高尖速比时风轮流场的主要特征为周期性的叶片尾流形成和扩散，两种特征都会降低风轮的气动力矩和功率系数。从流场流动的角度指出

6、变尖速比下H型垂直轴风力机翼型气动设计的方向为：低尖速比时避免或延迟叶片气流分离和失速涡脱落，高尖速比时缩短叶片的尾流长度和减小其扩散范围。提出了平均有效风能利用系数的概念，将其做为风轮气动特性的评价指标，补充了最大功率系数难以表征变尖速比下风力机气动特性的不足。基于该指标建立了变尖速比下风轮气动特性的计算模型，解决了CFD方法用于翼型设计时模拟精度相对较高但耗时过长的问题。针对风轮气动特性计算模型，研究了计及变尖速比下风轮气动特性的翼型设计方法，并设计得到翼型OPTFoil2014。以单个翼型气动特性为

7、设计目标，采用Xfoil程序结合Viterna模型计算气动特性，基于复合形法设计得到另一种翼型OPTFoil2011。对8m/s风速下NACA0015，DU06-W-200，OPTFoil2011和OPTFoil2014翼型风轮的气动特性进行了数值分析，结果表明：与垂直轴风力机常用的NACA0015翼型相比，OPTFoil2014翼型对变尖速比下风轮气动特性的改善效果最好，平均有效风能利用系数提高了6.78%。通过风洞实验比较-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文研究了NACA0015、DU06-W-200

8、、OPTFoil2011和OPTFoil2014四种翼型风轮在6m/s～10m/s风速下的气动特性。四种风轮的平均有效风能利用系数值均随风速的升高而增大，但增加幅度逐渐减小。与垂直轴风力机常用的NACA0015翼型相比，OPTFoil2014翼型对平均有效风能利用系数的改善率最高，6m/s时有最大值7.86%，10m/s时有最小值4.89%。数值模拟和风洞实验结果均表明：和以单个翼型气动特性为目标的设计方法相比，计及变尖速比下