（流体力学专业论文）聚能—遮蔽型垂直轴风力机的性能研究.pdf

卜海大学硕一 ：学位论文 摘要 本文通过数值模拟方法分别研究了聚能一遮蔽阻力型垂直轴风力机和聚能 一遮敞升力型垂直轴风力机的聚能效果。采用f l u e n t 软件的二维非定常雷诺平 均n a v i e r s t o k e s 方程的二阶迎风的s i m p l e 算法求解器进行计算，并选用 s p l a r a t a l l m a r a s 湍流模型，对两种形式的聚能遮蔽型垂直轴风力机的流场进 行了数值模拟，分析了其流场特征，探讨了聚能一遮蔽型垂直轴风力机能大幅 度提高风能利用率的原因。 对于直径为2 0m 的聚能一遮蔽阻力型垂直轴风力机，本文对叶片弦kl ， 叶片的位置参数d ，聚能一遮蔽板的安装角0 【，聚能一遮蔽板与叶片间的距离6 ， 聚能一遮敝板个数n ，叶片个数m 等结构参数进行了正交优化，得到一组最佳 的结构参数，其优化后的聚能一遮敲型风力机的风能利用率有所提高。 对于聚能一遮蔽升力型垂直轴风力机，本文就翼型弦长l ，翼型所处的位 黄半径r ，聚能一遮敞板；孑翼型问的距离6 ，聚能一遮敝板的个数n ，聚能板的 安装角o r , ，翼型旋转速度( t ) 等结构参数进行了不同尺寸的正交优化，得到优化 后的聚能一遮蔽型风力机的风能利用率也有所提高。本文另外还研究了直径为 1 0m 的聚能一遮蔽升力犁垂直轴风力机的变工况运行的情况。 关键词：聚能一遮蔽阻力犁升力型垂直轴风力机正交优化风能利用率 v l ：海人学硕 学位论文 a bs t r a c t t h e d r a gt y p ea n dt h el i f tt y p ev e r t i c a la x i sw i n dw h e e l sw i t hc o l l e c t i o n - - s h i e l d b o a r d sa r es t u d i e dn u m e r i c a l l yi nt h i sd i s s e r t a t i o nr e s p e c t i v e l y b yt h ec o m m e r c i a l s o f t w a r ef l u e n t ，t h ef l o wf i e l d so ft h e s et w ot y p e so fw i n dw h e e l sa r es i m u l a t e da n d t h ec o l l e c t i n ge n e r g ye f f e c t so ft h ew h e e l sa r ev a l i d a t e d 2 - di m p l i c i tu n s t e a d y s e c o n d o r d e r - u p w i n dr e y n o l d s a v e r a g e dn se q u a t i o ns im p l e - m e t h o ds o l v e rw i t h t h es p l a r a t - - a l l m a r a st u r b u l e n c em o d e li nf l u e n ti su s e di na l lt h er e s e a r c h e s a f t e r c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c eo ff l o wf i e l d sa n dt h ep o w e ro u t p u t sb e t w e e nt h ew i n d w h e e l sw i t hc o l l e c t i o n s h i e l db o a r d sa n dt h ec o n v e n t i o n a lo n e s ，i ti sf o u n dt h a tt h e w i n dw h e e l sw i t hc o l l e c t i o n s h i e l db o a r d sc a nr a i s et h er a t i oo fu t i l i z a t i o no f w i n d e n e r g yr e m a r k a b l y t h es t r u c t u r e ( 2 0 mi nd i a m e t e r ) o ft h ed r a gt y p ev e r t i c a la x i sw i n dw h e e l sw i t h w i n dc o l l e c t i o n - - s h i e l db o a r d si so p t i m i z e di nt h i sd i s s e r t a t i o nu s i n gt h eo r t h o g o n a l o p t i m i z a t i o n t h eb l a d ec h o r dl e n g t hl ，b l a d el o c a t i o np a r a m e t e rd ，t h ei n s t a l l a t i o n a n g l eq ，t h eg a p6 ，t h en u m b e ro fb l a d e sma n dt h en u m b e ro fc o l l e c t i o n s h i e l d b o a r d sna r eo p t i m i z e d t h ew i n de f f i c i e n c yo ft h eo p t i m i z e da u g m e n t e dw i n d w h e e l sw i t hc o l l e c t i o n - s h i e l db o a r d si ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d t h es t r u c t u r e so ft h el i f tt y p ev e r t i c a la x i sw i n dw h e e l sw i t hw i n dc o l l e c t i o n - - s h i e l db o a r d sf o rv a r i o u sd i a m e t e r sa r ea l s oo p t i m i z e di nt h i sd i s s e r t a t i o nu s i n gt h e o r t h o g o n a lo p t i m i z a t i o n t h ea i r f o i lc h o r dl e n g t hl ，a i r f o i ll o c a t i o np a r a m e t e rr a d i u s d ，t h eg a p8 ，t h en u m b e ro fc o l l e c t i o n - - s h i e l db o a r d sn ，t h ei n s t a l l a t i o na n g l eqa n d t h ea i r f o i lr o t a t i o nr a t e a r eo p t i m i z e d t h i sr e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h ew i n dw h e e l s w i t hc o l l e c t i o n - s h i e l db o a r d sc a nr a i s et h ew i n d e n e r g yu t i l i z a t i o nf a c t o rr e m a r k a b l y m e a n w h i l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i a b l ew o r k i n gc o n d i t i o n sf o r10 md i a m e t e rl i f t t y p ev e r t i c a la x i sw i n dw h e e l sw i t hc o l l e c t i o n - - s h i e l db o a r d sa r ea l s os t u d i e d 上海人学硕士学位论文 k e y w o r d s ：c o l l e c t i o n - - s h i e l db o a r d s ，v e r t i c a la x i sw i n dw h e e l s ，d r a g t y p e ，l i f tt y p e ，o r t h o g o n a lo p t i m i z a t i o n ，w i n de f f i c i e n c y v i l 上海人学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 二海大学硕士学化论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海l 仃科学技术委员会的资助项目“风力机气动设计新理沦”， 项目编号：0 5 j c l 4 0 6 6 。 1 2 课题背景 能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基 础。世界经济的发展充分表明：能源的需求与国民生产总值的增长旱正相关i i 艺j 。 在能源稳定供应的支持下，世界经济规模近百年内取得了1 速增k 。然而，人类 在享受能源带来的经济高速发展、科技日益进步等利益的同时，也遇到一系列无 法避免的能源安全的挑战、能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污 染等问题，威胁着人类自身的生存与发展。当前世界所面临的能源安全问题呈现 出与历次石油危机明显不同的新特点和新变化，它不仅仅是能源供应安全问题， 而是包括能源供应、能源需求、能源价格、能源运输、能源使用等安全问题在内 的综合性风险和威胁i3 1 。随着同际能源市场的风云变幻，世界各国家纷纷制定了 相应的策略，以保证本闷能源供应的稳定。纵观各国家的能源战略及其政策，可 以概况出以下基本特点：积极开拓海外能源市场；建立和加强能源战略储备；积 极开发利用新能源和可再生能源：提高能源的利用效率，历行一肖能政策；大力发 展清洁能源1 3j 。 我国的常规能源和新能源等都非常丰富，然而人均占有最突显劣势，同时我 国能源生产和消费的格局以煤炭为主，对环境的破坏很大【4 l 。在我国经济飞速发 展的时刻，能源供需矛盾日趋严重。因此我国的能源发展策略：长期坚持节能降 耗，提高能源利用率的战略；加速能源结构调整，大力发展清洁能源的战略：积 极开发和利用叮再生能源的战略【5 1 。 目前煤炭、石油和天然气的消耗过快、一”p “n w 减排的压力巨大，可再生能源 具有1 了能与减排的双重功效，开发与利用叮再生能源已成为当今全球瞩目的焦 l ：海大学硕上学位论文 点。可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用、取之不尽、用之不竭 的资源，它对环境无害或危害极小，而且资源分布j “泛，适宜就地开发利用。可 再生能源t 要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等1 6 j 。 当前世界叮再生能源的发展呈现如下特点l 7 。卅： 1 应用规模继续扩大，成本不断下降 可再生能源总体市场规模在扩大，继续保持自2 0 0 0 年以来增长率超过6 0 的势头，发电系统成本也有所下降。随着风力发电技术的不断进步，风电市场也 在稳步增长，2 0 0 7 年全球新增装机近2 0 0 0 万千瓦，风电成本也已经下降到4 美 分每千瓦时左右。太阳能、地热能、海洋能、生物质发电、液体燃料技术的应用 也在稳步上升。除了这些可再生能源外，随着国际上发展可再生能源的环境氛围 的浓烈，一些自2 0 世界9 0 年代以来发展缓慢甚至停滞的町再生能源技术，也在 部分国家和地区歼始霞新得到霞视和发展。 2 可再牛能源的发展得到各同政府和民众的重视和支持，各国纷纷山台或修订 政策和法规，鼓励l j 丁再生能源发展 从各国的能源规划来看，世界一i t _ 许多国家都把发展可再生能源作为实现可持 续发展的重要选择加以重视。1 9 9 7 年，欧盟颁布了可再生能源发展自皮。f 亏，制 定了2 0 1 0 年可再生能源要占欧盟总能源消耗的1 2 ，2 0 5 0 年可再生能源在整个 欧盟同家的能源构成中要达到5 0 的雄伟目标。2 0 0 4 年，主要的欧盟国家达成 共识，分别制定了2 0 1 0 年和2 0 2 0 年可再生能源的发展目标，英国和德国都承诺， 2 0 1 0 年和2 0 2 0 年可冉生能源的比例将分别达到1 0 和2 0 。西班牙表示，2 0 1 0 年，其可再生能源发电的比例就呵以达到2 9 以上。北欧部分国家提出了利用风 力发电和生物质发电逐步替代核电的战略目标，并均已付诸行动。2 0 0 5 年2 月， 旨在减少温室气体排放的京都议定书正式生效，成为各国，尤其是欧洲发展 可再生能源新的动力之一。欧洲一些同家，如两班牙、爱尔兰等国家修订了可再 生能源政策法规。欧盟环保能源计划近日出台，计划到2 0 2 0 年欧盟的绿色环保 能源总量占整个能源消耗量的比重从目前的8 5 增加到2 0 。美国在2 0 0 5 年8 月出台的新的能源法案中也更新了支持町再生能源发展的内容。全球已有3 5 个 发达国家和1 0 0 个发展中国家制定了全国性的可再生能源的发展目标。2 0 0 5 年 我国台町再生能源法以及图家制定町再生能源中长期发展规划，也表 2 卜海人学硕十学位论文 明了我国政府支持推动可再生能源发展的决心和行动，2 0 0 6 年1 月1 日法律施 行后，成为实施可再生能源发电固定电价政策的第6 个发展中国家。在2 0 0 5 年 1 1 月又组织召开了有全球8 0 多个国家参加的“2 0 0 5 国际可再生能源大会”，会 上提出了促进全球可再生能源发展行动的北京宣言，我国在发展可再生能源 方而的行动为世界嘱日。 3 可再生能源已经成为能源领域的投资热点 联合国目前发布的一份报告指出，全球能源已经走出边缘地带，成为主流投 资领域之一。在各罔强有力的政策支持下，可再生能源在能源领域投资增长速度 最快。据新能源财务报告披露的数据，全球可再生能源市场在2 0 0 7 年约为1 7 5 亿美元。新增呵再生能源能力投资已从2 0 0 6 年的5 5 0 亿美元提高到2 0 0 7 年的 6 6 0 亿美元。法国于2 0 0 8 年初制定了可再生能源目标，加快推进风能和太阳能 发电，旨在使法国总能源消费中的可再生能源份额从2 0 0 4 年的6 7 提高到2 0 2 0 年的2 0 。同时，国际大公司美国通用电气公司表示，到2 0 1 0 年其在可再生能 源领域的投资额将提高到6 0 亿美元。据预测，到2 0 1 0 年，我国可再生能源的总 装机容量将达到6 0 0 0 万千瓦，占全国总电力装机容最的1 0 ，未来1 0 年，我闰 可再生能源领域每年投资可达8 0 0 亿美元。 可再生能源囚其可持续性、清洁、环保，是未来能源的发展方向。世界许多 国家制定了可再生能源发展规划和战略目标。欧盟是世界町再生能源发展最快的 地区，也足受益最多的地区。可再生能源巨大的资源潜力和全球的能源需求相比， 目前的可再生能源开发利用量还是冰山一角，而大部分可再生能源技术已经处于 准商业化的阶段，今后，随着技术的进步，成本将进一步降低。 风能足最具大规模开发利用的可再生能源之一。据世界气象组织统计分析表 明，地球上近地层的风能总量约为每年1 3 0 0 0 亿千瓦，仪l 的地面风力就能满 足全世界对能源的需求【。风力发电足目前利用风能的主要形式。在世界范围内， 风电装机容疑j e 以3 0 - - 5 0 的速度高速增长【1 0 】。从以下六个方面体现风能的 益处i ：l ，风能储量丰富；2 ，风能是一种洁净的可再生自然能源；3 ，风力发 电场装机规模灵活，建设周期短；4 ，风力发电的经济性日益提高：5 ，风电在新 能源发电中技术最为成熟；6 ，风电发电机分散安装，战地面积少。 l 拇大学硕l 学忸论文 1 3 国内外风力资源利用现状 1 3 1 国外风电发展 全球风能协会( g w e c ) 在其报告中公布，2 0 0 7 年全球风电机组新安装量近 2 0 0 0 万千瓦，累计安装总晕达9 3 9 0 万干瓦，全球风力发电能力在2 0 0 7 年又增 k 2 7 。风能是世界上增良壤快的能源，图1 1 是2 0 年来世界风电装机容量图， 在过去l o 年间年平均增k 率为2 9 。与之形成反差的是，同一期问每年煤电增 长25 ，核电增kl8 ，天然气发电增& 25 ，油发电增长l7 。 世界风电装机容量 一。目iiiilil 8 68 78 88 99 09 19 29 39 49 59 69 79 89 90 00 10 20 30 40 50 60 7 j 份 图i i 世界风电装机容量囤 欧洲的风力发电持续引领世界，到2 0 0 7 年底总装机容量超过5 7 1 3 万千瓦， 山全球总装机容话的二分之一以上。欧洲电力的将近3 由这些风电设旌提供， 其发电量足够满足4 0 0 0 多万人的需要。欧洲风能| 办会( e w e a ) 预计2 0 2 0 年欧洲 会柯近2 亿人完全使用风电。欧洲风能协会确定的目标足，2 0 1 0 年风能总装机 择最近7 5 0 0 万千瓦，2 0 2 0 达到1 8 0 0 0 万干瓦，到2 0 3 0 年风力发电能满足欧洲 电力需求的2 3 。德国是风力发电装机容最最大的国家，风力装机容量达2 2 2 47 万千瓦其电力的6 来自风电。德国制定了个新的风电发展长远规划，设定 到2 0 2 5 年风电至少占总用电量的2 5 ，到2 0 5 0 年占总用电最的5 0 。两班牙 风能利_ 【| ；i 位居第二，风电装机容量超过1 0 0 0 万千瓦，其电力的8 来自风电。 丹麦的风电装机容角为3 1 25 万千瓦，位居世界第a ，可以满足其电力需求的2 0 ，是世界上风电份额虽大的国家。已经成功地用风电来满足国内的电力需求了。 丹麦的海上风电装置居世界领先地位，现有的装机容最为4 0 万千瓦。荷兰已建 成风电1 7 4 6 万千瓦。英国从环境上考虑，也在拟定引进大型风力发电装置计划， l|llllllll。 上海人学硕上学位论文 已建成1 9 6 3 万千瓦的风力发电场【1 2 l 。 2 0 0 6 年年底加拿大的风电容量为1 4 6 万千瓦，2 0 0 7 年年底增) j t l 至- 01 8 4 6 万 千瓦。加拿大联邦政府计划到2 0 1 0 年将风电装机容罱增加剑4 0 0 万千瓦，而其 各省政府的胃口更大，计划到2 0 1 5 年联合装机容量达剑9 2 0 万千瓦。美国的发 电规模较大，2 0 0 7 年末总装机容量达到1 6 8 1 8 万千瓦。2 0 世纪8 0 年代初期， 美国的风力发电占主流的是1 0 0 千瓦以下的小型机，建场地区已由过去集中于加 州逐步往外发展，美国中、西部地区也拟建设风电场的计划。据美国能源部称， 2 0 1 0 年风电至少能达到国内电力消耗量的1 0 。据美国风能协会发布的报告， 2 0 0 7 年美围新增风能发电设置能力5 2 4 4 万千瓦，第一次使生产的能虽足以供应 超过3 0 0 万户美国家庭【13 1 。 亚洲国家目前的风力发电装机容量接近1 5 8 3 1 万千瓦，印度自2 0 世界9 0 年代后期，风电市场一度低迷，但最近几年出现复苏，2 0 0 7 年新增装机就超过 1 5 7 5 万千瓦，截至2 0 0 5 年底总容量已达7 8 4 5 万千瓦，排名在德国、美国和两 班牙之后，位居第四。日本建成的风力发电规模不大，1 9 9 7 年末为2 9 万千瓦。 到2 0 0 7 年底，风电总装机容量为1 5 3 8 万千瓦【】。 1 3 2 国内风电发展 根据伞国9 0 0 多个气象站陆地上离地l o m 高度资料估算，全国平均风功率密 度为1 0 0 w m 2 ，风能资源总储疑约3 2 2 6 亿千瓦，可开发利用的陆上风能储量有 2 5 3 亿千瓦，近海叮开发和利片j 的风能储量有7 5 亿千瓦，共计1 0 0 3 亿千瓦。 由于有了新的叮再生能源法，风电已经开始飞速增k 。这部法律给予风力发 电税收优惠和补贴，目标是到2 0 2 0 年把风电容量增加到3 0 0 0 万千瓦。2 0 0 4 年 到2 0 0 5 年，虬卜五”计划后半段重点建设江苏如东和广东惠来两个特许权风电场 示范项目，取得建设大规模风电场的经验，2 0 0 5 年年底风电发电总体r 标达1 0 0 万千瓦。“十一五”规划期间，全国平均每年新增风电装机容量6 0 8 0 万千瓦， 到2 0 1 0 年底累积装机容镀5 0 0 万千瓦的目标于2 0 0 7 年年底提前完成，图1 2 是 我国近年来的风电装机容量图。 f ：洮 牛倾f 学值论 图12 我同风电装机容量图 总体来说，世界绩优风力发电场的发电成本自8 0 咀米r 降了将近9 0 ， 现n 已f 降到4 美分每t 兑时，共坌c 更低。在有些市场，风力发电已经比传统能 源发电便宜。欧洲风能协会预测，到2 0 2 0 年风力发电成本将下降到3 美分每t 乩叫。m 山发电成本f 降，主要原囚足技术的进步风电项h 融资成本f 降，以 及涡轮n , j 手r i 举部件的制造和建设已彤成经济规模。风电提供的不仪仪是价格可以 承受的清洁能源而风电的价格稳定，不受化_ i 燃料价格波动的影响。风足取 之不尽、川之小竭的，而- u 以k 久地保障能源安仝。 1 4 本文的主要研究内容 本文以作者攻读颤士学位期问承担的课题为基础，扫二第章中剧进，课题研 究的米渊、背景、门的、意义。第章介绑风力机的幽内外研究现状，风力机的 雄础理沦以及c f d 的简单介鲥。第i 章首先介绍m 山剂巫直轴风力机的做功特 点，冉对策能一述献m 力型垂直轴风力机进行流场分析，最后对其结构优化。第 叫章片先介绍一力掣垂 轴m 力机的做功特点冉刈聚能一遮敲升力型乖a 轴风 力机进行流场分析，接种对其小j 叫尺寸进行结构优化，最后研究了 种尺，jr 的 变一况逆彳r 情况。最后筇h 章总结伞文。 _l三三_-要乏i夸昌 r乏呈乏呈盂- 一 】n n一。n n 叫 - ；三苎； 一r r _ f _ 一 一o；一 j ：街太学1 学& 沦z 2 1 风力机 第二章垂直轴风力机 2 i 1 水平轴风力机介绍及研究现状 目前，风力机主要分为水平轴风力机和垂直轴风力机。世界卜应用的绝大部 分是水平轴m 力机( h a w t ) ( 罔2i ) ，它的风轮围绕一个水平轴旋转工作时风轮 的旋转平面与风向垂直。风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴柑难直，并与风 轮的旋转r m l 成个角度。传统的水平轴风力机犬都为低速风力机，这类风力机 的批l 轮叶片一般为1 2 2 4 ，“径为5 8 米庙动力矩较高，适合在低风速地区 作提水或发电。且缺点足风轮重量大效率很低，不适合用束大型化。现在水平 轴风力机多为高速的，这类风力机的风轮叶片一般为2 - 4 片，以3 叶片居多，直 径t 迭订米以上，其风轮重疑相对较轻，结构简单，效率较高，适合用j 。人规模 风i 也场，但其启动力矩较小，而目由于风轮直径较大，风轮效率和叶片的结构强 度对叶 上动载荷的分布比较敏感【1 4 - i s l 。 图2 l 水平轴风力机 i ：海大学硕上学位论文 由于水i f 轴风力机有较高的风能利用率，许多学者的研究重心也集中在水平 轴风力机七。水平轴风力机的主要气动n l j 题有三方面内容 1 6 - 1 7 ： ( 1 ) 翼型设计 翼型形状直接影响到叶片的气动性能。现在风力机通常采用三叶片或- - - i i t 片 结构和上风或下风形式。上世纪8 0 年代以来，人们逐渐开始认识到传统的航空 翼型并不适合设计高性能的风力机，逐渐开始开发新翼型。在这一方面有叶片的 设计理论，先后提出了简化的设计理论 1 8 1 、s c h m i t z 理论【1 9 1 、g i a u e r t 模型1 9 | 和 w i l s o n 模型2 0 1 ；新的翼型气动性能研究，比如限制叶尖升力系数，增加叶片中部 的升力系数【2 ，在风力机叶尖d i i , j , 翼增加风力机的输出功率2 2 锄】。这些设计方 法的改变，使得风力机年平均的能鼙输出大大提高2 4 i 。 进入9 0 年代以来，随着计算流体力学水平的提高，各种叶片几何优化的方法 开始出现。采用粘性一无粘的迭代数值计算，或者叶片表面边界层的分析( 主要 是层流、紊流、转捩点的确定) ，各截面气动参数的准确确定，实现了在一定输 出功率下的最佳叶片几何形状设计【2 5 1 。 ( 2 ) 失速延迟 目前，。泛应用的水平轴风力机叶片设计及性能预估方法，都基于传统的二维 叶片叶素理论以及二维翼型风洞实验数据，忽略了旋转的三维效应 2 6 1 。早在2 0 世纪4 0 年代h i m m e l s k a p l 2 7 1 首次在实验中发现失速延迟现象的存在。v i t e r n a l 2 8 】 首先提出叶片火速特性会影响预测模型的准确度。之后研究者的一系列实验表明 水平轴风力术j l n t 。片气动性能与风洞试验中的非旋转叶片的气动性能有一定的差 别，并证实v i t e m a 的假设的正确性。 在针对失速延迟特性的研究中，为了弄清失速延迟现象的本质，并建立更准 确符合失速延迟物理本质的预测模犁，许多研究者在n a v i e r - s t o k e s 方程的基础 上建立了不同的边界层方程，通过一些假没从叶弦方向和径向动昔方程中分离出 两个独立的边界层方程，以改善方程的求解结果。b a n k s 和g a d d1 2 9 1 通过哥氏力 和离心力的耦合推导了一系列方程，得到了能够表明层流分离点位置延迟的解。 n a r r a m o r e 和v e r m l a n d 3 0 1 结合代数式的紊流模型，采用完全的n s 方程解法， 其解表明旋转叶片升力系数比二二维情况增大很多，在近轮毂处尤为突出。杜朝辉 教授建立并求解旋转坐标系下的三维边界层积分方程1 3 ，得出两个在火速延迟 8 1 ：海人学硕l 学何论文 现象巾起火键作用的影响因子，建立了一个三维失速延迟模犁，用于翼型的二维 风洞修i f 升力及阻力系数。实践表明，该模型与风场实际测量值符合很好。所有 这些理论模型的建立和改进对风力机性能精确预测都有很大帮助【3 2 1 。由于失速 延迟现象不仅存在于风力机，而且也广泛存在于其他旋转机械，探索失速延迟现 象的机理也足这些领域内研究的重点和难点之一。 ( 3 ) 动态失速 动态失速足指在进1 ：3 来流攻角快速变化的过程巾，风轮叶片所表现出的与风 洞实验完全不同的气动特性。动态失速是一种非常复杂的气动现象，可以在许多 情况下出现，如大气紊流、塔座影响、偏航工况等等。一旦发生动态欠速，叶轮 的升力系数特性与风洞的实验数据就会出现明显的差别，风轮的动态负荷远远超 过实验预计值，从而埘风力机的结构载荷设计产生了严重的影响。失速风力机在 高风速下所产牛的人大超过设计值的输出功率，可能引起发电机的损坏，因此， 在设计时必须认真考虑动态失速的作用。 1 9 8 8 年首次发表的关于由实验发现的动态失速现象论文【3 3 1 ，证实了动态失 速对风力机载荷的严重影响。对动态失速，目前的研究还处于初步阶段，人们的 认识还远远不够，通常是采用动态失速模型对常规的设计及性能预估方法进行修 正。文献【3 4 。5 i 给出了一些经验模型，但只适用于某螳特定的范围，预估精度也还 需要不断发展和完善。 提高风能利用率一直是人们追求的目标和研究的焦点。早在2 0 世纪5 0 年代， 就有很多学者提 “了扩散器风力聚能装置的设想，其中比较著名的有我国科学家 钱学森提 j j 的一种风力扩散放人器，这种装置被称为d i f f u s e ra u g m e n t e dw i n d t u r b i n e ( d a w t ) ( 图2 2 ) ，它是在传统风力机的下游产生负压，让更多的空气通过 叶轮表面，比传统的自由式风力机产生更大的功率f 3 6 1 ，而且使自启动风速降低。 但直到在7 0 年代末期，g i l b e r t 和f o r e m a n 才第一次尝试用试验的方法研究风力 聚能放大装置的实际效果3 7 1 。比较系统地开展风力机扩散器理论研究的学者是 v a nh o l t a n ( 1 9 7 6 ) 。后来d a w t 的理论又被v a nb u s s e l ( 1 9 9 9 & 2 0 0 1 ) 和 m a r t e n s ( 2 0 0 1 ) 所沦证【3 8 1 。此外，中外的一些学者采用流体动力学c f d 并结合风 洞实验开展了一些研究，其中有p h i l i p s ，d 0 1 2 3 , 3 9 1 和汪建文【4 0 一1 等，他们结合扩 散器的实验以及风力机扩散器的模拟计算，同时也进行了扩散器的结构优化设 9 上海人学硕卜学位论文 计，增强了扩散器的实用性。 增压骨 图2 2 扩散器犁风力机【】 2 1 2 垂直轴风力机的介绍及研究现状 垂直轴风力) 0 l ( v e r t i c a la x i sw i n dw h e e l s v a m t ) 是一种旋转轴与地面垂卣， 叶轮的转动与风向无关，风力机的旋转平面与风向平行的风能利用机械。垂直轴 风力机可分为两个主要类型，一类是是利用气流在叶片前后形成的压强差来推动 叶轮丁= 作的阻力型垂：卣轴风力机，当前被广泛应用的足1 9 2 2 年由芬兰工程师 s j s a v o n i u s 发明s a v o n i u s 风机f 4 2 j ，图2 3 ( a ) 和图2 3 ( b ) 分别给出了s a v o n i u s 风机 结构及工作原理。为了获得较大的阻力，需尽量增大叶片的迎风面积。其优点是 在低风速下能获得很好的功謇输出，但是存在着固有的缺陷，即：工作速比范围 很小，通常冰l ，由于嗣绕着风轮产生不对称气流，反向推力降低了转动轴的总 力矩，故其能最利用率较低。对于较大型的风力机，由于受偏转与极限应力的限 制，采用这利，结构形式是比较园难的。另一类是利用翼型的升力做功，最典型的 是达里) t l ( d a r r i e u s ) 型风力机【4 3 - 4 4 i 。达里厄风力机有多种形式，型、h 型、y 型和菱形，基本一卜是直叶片和弯叶片两种，以h 型、型风轮为典型。h 型( 图 2 4 ) 风轮结构简单而且i 叮以实现变攻角控制，具备自肩动功能，低风速性能良好， 但这种结构造成的离心力使叶片在其连接点处产生严重的弯曲应力。另外，直叶 片需要采用横杆或拉索支撑，这些支撑将产生气动阻力，降低效率；犁( 图2 5 ) 的特点是叶片类似于一根两端吲定的柔性绳索，不计重力时，在离心力的作用下 自然形成弯曲形状，故叶片主要承受展向张力，极大地减少了弯曲应力。由于材 l o l 辫 学碰1 。学似论立 料所承受的张力比弯曲应力耍强，所以对于卡h 同的总强度，m 型l 叶片比较轻 ( a )( b ) 嗍23s a v o n l u s 风机结构肚l 作惊胖吲h 口 图2 4 v a w t 外脬( h 型) 彳 j ：海大学硕l ：学位论文 罔2 5m 型达里厄模型 垂直轴风力机气动性能方面的的理论研究，比较成熟的理论预报方法主要有 两种：基于动量定理的流管法和基于势涡理论的涡方法。对于流管法而言， t e m p l i n 于1 9 7 4 年第一提出了基于动量定理的单盘面单流管模型【45 | ，该模型将 风机叶轮简化为被一个流管包同的盘面，并假设整个盘面上叶片诱导速度均匀分 布，将所有叶片经过流管上游区域和下游区域的作用力之和作为该流管上的外 力，应用动帚定理建立联系这一外力和流管动昔变化的关系式，从而求解诱导速 度，然后计算叶轮的气动性能。1 9 7 5 年s t r i c k l a n d 提出的单盘面多流管模型1 4 6 1 ， 该方法在单盘面单流管模型的肇础上，将转子作h j 盛面沿垂直于来流的方向细分 成多个独立微流管，假设每个流管均同来流方向平行，且流管截面上的诱导速度 均匀分布，对每个流管分别运用动量定理求解其诱导速度，从而得到叶轮的气动 性能。1 9 8 1 年p a r a s h c h i v o i u 提出了双盘面多流管模犁【4 7 】，该模型采用单盘而多 流管模型相同的流管细分方法，不同之处在于将每个流管进一步细分为上游区域 和下游区域，并将上游流管的尾流速度作为下游流管的来流速度，分别建立动量 方程并独立求解上、下游盘面处的诱导速度。19 9 0 年s h a r p e 对p a r a s h c h i v o i u 提 出的双盘而多流管模型进行了改进1 4 8 1 。不仪假设每个微流管上、下游盘面处的 诱导速度不相同，而且假设上游盘面和下游盘匝f 不同微流管的诱导速度也不相 同。 对于涡方法而言，1 9 7 8 年w i l s o n 计算g i r o m i i l 风机叶轮气动性能时提出来 v o r t e xs h e e t 模型1 4 引，用无限多叶片数的风轮代替实际风轮，即假设叶片数z 一， 叶片弦长c _ 0 ，而保持z c 为常数。由于该模型只建立了诱导速度和附着涡强 度的关系式，无法确定它们的具体值，所以只能得到叶轮性能的极限值。1 9 7 9 1 2 上海人学硕t 二学f 1 ：j = 论文 年s t r i c k l a n d 等人提出了v - d a r t 模型f 5 0 1 ，该模型是基于升力线理论。 d v a n d e n b e r g h e 和e d i c k 于1 9 8 7 年提出另一种自由涡模型【5 1 1 ，该模型不再j j 无 限多叶片数的叶轮代替实际叶轮，而是将尾流的一定区域进行分格，将位于单元 格内的尾涡丝离敝到单元格的四个节点上进行计算，尾涡丝的位置由它所在点的 当地流速确定，并且在计算叶片瞬时载倚时考虑了动态失速效应。2 0 0 1 年，阿 根廷的p o n t a 和j a c o v k i s 提出了一种将自由涡模型和有限元分析结合起来的分区 计算模型- f e v d t m 模型1 5 2 。 尽管水平轴风力机技术已经相当成熟，但是水平轴风电机组大型化时【火1 其自 身的缺陷受到限制。于是，人们逐渐开始投向大型垂卣轴风电机组的研制工作。 同水平轴风电机组相比，垂直轴风电机组具有以下优势【5 3 】： ( 1 ) 垂商轴风电机组对风向敏感度低，不需要复杂的偏航对风系统，可以实 现任意风向下正常运行发电。 ( 2 ) 垂直轴风电机组的大型笨重发电机构装置可直接放置在地面，大大降低 了安装和维护成本。 ( 3 ) 垂直轴的叶片对采川等截面翼犁，制造工艺简单，造价低。 ( 4 ) 垂j 直轴风电机组可通过适当提高叶轮的高径比增加其扫风面积，可以在 增加单机容量的同时减少机组占地面积，从而提高风场单位面积风能利用，有利 于垂直轴风电机组向大犁化、产业化发展。 2 2 风力机的基础理论1 1 1 i 空气的流动就是风。风是由于地球自转及纬度温差等原因致使空气流动形成 的。风能在这里指得是动能。 贝茨理论足基r 水平轴风力机的。 2 2 1 风能的计算 由流体力学可知，气流的动能为 e ：! m v 2 2 式中m 气体的质量 ( 2 1 ) i ：海人学硕十学化论文 卜气体的速度 设单位时间内气流流过截面积s 的气体的体积为v ，则 v = s v( 2 2 ) 如果以p 表示空气的密度，该体积的空气质量为 m = p v = p s v ( 2 3 ) 这时气流所具有的动能为 l e = 二邱v 3 ( 2 4 ) 2 一上式即为风速的表达式。在国际单位制，p 的单位是k m 3 ；v 的单位足m 3 ；v 的单位是m s ；e 的单位足w 。从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和 通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比，其中p 和v 随地理位置、海拔、 地形等因素而变。 2 2 2 贝茨定理 贝茨( b e t z ) 假设风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并 且对通过风轮没订阻力。因此这是一个纯粹的能量转换器。此外还进一步假设在 整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时 都是沿着风轮轴向的。 分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮。设v l 为风轮远前方的风速， v 是通过风轮的实际速度，并且在整个叶片扫掠面s 上是均匀的，v 2 是风轮远 后方的风速。通过风轮的气流在风轮前方的截面为s l ，后方是s 2 。 风轮能够产生机械能正是由于它使空气的动能减少了，凶为v 2 必小于v i 。 气流从前面穿过风轮到后方其截面增大了，即s 2 大于s l ( 如图2 6 ) 。 如果假设窄气不可压缩的，连续性条件( 恒定质量流) 可以表达为： 一 s l v l = s v = s 2 v 2 ( 2 5 ) 风作用在风轮卜的力叮由欧拉定理得出： f = p s v ( v l - - v 2 ) ( 2 6 ) 因此风轮所吸收的功率为： p = f v = p s v 2 ( v i v 2 ) ( 2 7 ) 1 4 上海人学硕十学位论文 a _ - b e d 图2 6j x l 轮的气流图 如前所述，这个功率是从气流中的动能获得的。从风轮前到风轮后气流动能 的变化量为： t = 去筇v ( v 2 一v ；) ( 2 8 ) 使p 和丁的表达式相等，则得到 v ：二毕 ( 2 9 ) 作用在风轮上的力及其输：n 功率u 丁由下式表达： f ：l p s ( v , 2 一叼) ( 2 1 0 ) p = 丢烈v 2 一嘭) ( v l + v 2 ) ( 2 1 1 ) 由于风轮前方气流速度v ，是给定的，功率p 的变化可以看成为v 2 的函数。 微分式( 2 11 ) 可得： 瓦d p = i 1p s ( v 1 2 2 v 1 2 叼一3 w ) ( 2 1 2 ) 方程式( 2 1 2 ) 有两个解： 第一个解：v 2 = - - v l ，没有物理意义，第二解v 2 = v l 3 ，这时对应的功率足 最大的。 = 寺p s v ? ( 2 1 3 ) 将上式除以气流通过扫掠面s 时所具有的动能，可推算风力机的理论最大效 率( 或称理论风能的利用系数) i ：i f ；c 人学硕上学他论文 一蠢= 器扣5 9 3 亿 式( 2 1 4 ) l p 为著, 名的贝茨理论的极限值。它表明，风力机从自然风中所能索 p = 寺c p r s v l 3 ( 2 1 5 ) 2 2 3 风力机的特性系数 ( i ) 风能利用系数c p 风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能系数c p 表示，由式( 2 1 5 ) 有 c p - ) _ ( 2 1 6 ) 妥p 驯： 式中卜风力机实际获得的轴功率，单位为w ； 卜空气密度，单位为k g m 3 ； s 风轮的扫风面积，单位为m 2 ； v 上游风速，单位为m s 。 ( 2 ) 叶尖速比九 为了表示风轮在不同风速f 的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡 量，称为叶尖速比九 五= 丁2 1 t r n = 等 ( 2 17 ) l = = t 二 vv 式中n 风轮的转速，单位为r s ； 心风轮的角速度，单位为r a d s ； r 风轮半径，单位为m ； v 一上游风速，单位为m s 。 l 海火学硕l j 学何论文 2 3c f d 简介 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， c f d ) 足通过数值方法求解流 体力学控制方程，得到流场离散的定量描述，并以此预测流体运动规律的学科。 在c f d 中，把流体运动控制方程中积分、微分项近似地表示为离散的代数形式， 使得积分或微分形式的控制方程转化为代数方程组；然后，通过电子计算机求解 这些代数方程组，从而得到流场在离散的时间、空间点上的数值解。 为了获得问题的满意结果，c f d 的研究通常应该遵循以下步骤f 5 4 】： 1 ) 问题的界定和流动区域的几何描述： 2 ) 选择控制方程和边界条件； 3 ) 确定网格划分策略和数值方法： 4 ) 程序设计和调试； 5 ) 程序验证和确认： 6 ) 数值解的显示和评价。 f l u e n t 软件是美l 鹭f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的通用商用c f d 流场计算分析 软件，是目前功能最全面、适用性最广、使用最j “泛的c f d 软件之一。f l u e n t 囊括了f l u e n td y n a m i c si n t e r n a t i o n a l 、比利时p o l y f l o w 和f l u e n td y n a m i c s i n t e m a t i o n a l ( f d l ) 的全部技术力量( 前者是公认的粘弹性和聚合物流动迷