双垂直轴风力发电机组气动性能优化及其尾流特性研究

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1、硕士学位论文双垂直轴风力发电机组气动性能优化及其尾流特性研究INVESTIGATIONOFTHEAERODYNAMICPERFORMANCEANDWAKECHARACTERISTICSOFTWINVERTICALAXISWINDTURBINES韩振东哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TK83学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工程硕士学位论文双垂直轴风力发电机组气动性能优化及其尾流特性研究硕士研究生：韩振东导师：刘红军教授申请学位：工程硕士学科：建筑与土木工程所在单位：

2、深圳研究生院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK83U.D.C:624AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheprofessionaldegreeofMasterofEngineeringINVESTIGATIONOFTHEAERODYNAMICPERFORMANCEANDWAKECHARACTERISTICSOFTWINVERTICALAXISWINDT

3、URBINESCandidate：HanZhendongSupervisor：Prof.LiuHongjunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ArchitecturalandCivilEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechn

4、ology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着传统石化燃料的大量开采，能源危机等问题影响着人类的生活，因此对风能等可再生能源的需求日益增加。其中风力发电机是风能利用的主要手段之一。由于垂直轴风力发电机有着尺寸小、噪音低、适和在湍流下工作等优点，因此本文通过数值模拟对垂直轴风力发电机的气动性能和尾流特性进行相关的研究。通过对单垂直轴风力发电机的独立性验证选取最优模型，同时对计算结果进行修正并和前人实验数据进行对比，发现了良好的一致性。针对单风机的气动性能进行研究，发现随着尖速比的增加，气流绕流现

5、象显著；根据修正前后对比，发现二维数值模拟在高尖速比下对功率系数有一个过大的预估。通过尾流特性的分析，发现随着尖速比的增加，尾流速度恢复逐渐变快，同时尾流的横向影响范围仅在上下1倍风机直径内。为了进一步了解风机间相互作用，引入田口稳健设计方法，对并排布置的双垂直轴风力发电机组的气动性能进行优化研究，设计五因素四水平的正交表进行正交优化分析。提出了五个参数对额定尖速比的影响程度排序：实度>俯仰角>翼型>旋转方向>风机间距。相应的，提出了五个参数对功率系数的影响程度排序：俯仰角>风机间距>实度>翼型

6、>旋转方向。通过正交分析，选出最优和最差工况下的双风机组参数，并根据此参数进行单、双风机的对比计算，发现最优工况下双风机组的功率系数要比单风机大13%，而最差工况下双风机组的功率系数仅比单风机的高8%。为了优化风机阵列布置，根据选取的最优和最差工况，对其尾流特性进行分析，发现双风机组的尾流速度缺损要更小，同时双风机组的排布方式对尾流恢复有促进作用。根据气动性能和尾流特性的分析结果，以最优工况下的双风机组为基本单位，选取不同的横向和纵向间距对风机阵列进行全因子优化分析。提出最优阵列的横向间距为3倍

7、风机直径、纵向间距为1.2倍风机直径，同时发现了横向间距对平均功率系数的影响较大，而纵向间距对功率密度的影响较大。通过计算，发现最优阵列下的平均功率系数要比单风机的大20.3%。关键词：垂直轴风力发电机；数值模拟；田口方法；气动性能；尾流特性；优化分析-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththelarge-scaleexploitationoftraditionalfossilfuels,problemssuchasenergycrisishaveseriouslyaffe

8、ctedthehumansociety.Therefore,shiftingtowardscleanandrenewableenergysuchaswindenergyisimperative.Windturbinesarecommonlyusedtoharnesswindenergy,giventhatverticalaxiswindturbines(VAWTs)havetheadvantagesofsmallsize,lownoise,suitableforworkingunderturbu