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河 海 大 学文献综述专 业：工 程 力 学 学 号：1031001050 姓 名：张 建 新 指导教师 ：蔡 新 教 授垂直轴风力机气动分析研究进展摘要：研究垂直轴风力机风轮在风场中转动的问题主要有风洞实验、解析解法、数值模拟三种方法。由于计算机技术及计算力学的发展，数值模拟逐渐成为人们研究复杂运动规律的主要手段之一。阻力型风力机优点是启动风速小，但是风能利用率不高。将升力型风力机与阻力型风力机结合起来，优化风轮的组合尺寸，以便充分发挥升力型风轮与阻力型风轮的优势。使其既具有良好的启动性能，又具有较好的风能利用率。关键字：计算流体力学CFD；空气动力学；升阻结合型风力机；1 引言近30年来随着世界资源的过度消耗，人类可用资源日益减少，石油价格不断上涨，世界各地频发石油短缺信号，并且由于化学能源的使用，人类居住环境日益恶化，人类迫切需要一种清洁的持续能源。由于风能具有取之不尽，用之不竭，清洁卫生，分布范围广等特点，风能发电成为世界许多国家的可持续发展战略的重要组成部分。据统计，地球表面所接收到的太阳能辐射约有2%转化为风能，其总量十分可观，全球风能总量约为1300亿千瓦，其中可利用风能约为2107MW。中国10m高度层的风能总储量为32.26亿千瓦，其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦1。离网式发电系统主要用于解决电网覆盖不到地区居民的生活用电问题。小型风力发电系统的供电成本要低于电网延伸的供电方法和利用汽油/柴油发电机发电的供电成本，对于边远地区用电问题的解决有很大的切实意义。垂直轴风力机所具有的得天独厚优势使其具有广阔的发展前景，特别是在小型风电系统中的应用前景一片光明2。 垂直轴风力机按照工作原理可以分为升力型垂直轴风力机与阻力型垂直轴风力机（图1）。升力型风力机包括型达里厄风力机和H型达里厄风力机，升力型风力机转速快，所以主要用来发电。阻力型风力机主要包括垂直轴的S型和涡轮型等风力机，该类风机转速不高，但输出扭矩很大，所以常为提水、碾米和拉磨等装置提供动力【3】。与HAWT相比，VAWT有明显的优势4。VAWT叶型设计简单，国产化容易；发电机置于风机下或地面，安装和维护费用都低；不受风向限制，无需导航系统，不损失有用功；旋转速度相对较慢，噪音低于HAWT的75%5；安全工作风速范围较大，对气候的适应性较强，风机年运转时间长。经实践证明，与HAWT相比，VAWT单位千瓦的投资成本可下降50%左右，且维护费用更低，检修更简单，寿命更长6。2 风力机气动分析方法目前，在风力机的气动设计方面，还不存在一套完整系统的设计模型和方法，只有一些针对某一方面的模型，这些模型和方法都是以经验设计为主。针对垂直轴风力发电机，比较成熟的气动分析方法主要有流管法和涡方法两种。1974 年 Templin 第一个提出了基于动量定理的单盘面单流管模型7， 主要用于计算 Darrieus 式风机的气动性能，该模型优点是比较简单，但是不能反映转子作用盘面范围内上游区和下游区以及垂直于来流不同位置处的流动的变化。1975年 Strickland 考虑了垂直于来流方向上流动参数不同的影响，提出了单盘面多流管模型8。 1981 年 Paraschivoiu既考虑了垂直于来流方向流动参数的不同，又考虑了转子作用盘面上游区域对下游区域的影响提了双盘面多流管模型，提高了计算的准确性9。1990 年，Sharpe在流管的扩张效应、叶片的非定常运动效应等方面对parasehivoiu提出的双盘面多流管模型做了大量修正10。基于动量定理的流管模型在一定尖速比、密实度和载荷范围内能够有效地预报风机叶轮的总体气动性能，且多流管模型能够计算流场的某些细节，在垂直轴风机叶轮气动性能计算上得到了广泛的应用和发展。但是，流管法也具有模型本身的局限性，在大尖速比情况下，动量方程求解容易发散，从而得不到诱导速度;其次动量定理模型忽略了垂直来流方向的诱导速度，在求解风机叶轮侧向受力时有一定的困难;另外由于流管法不能精确地计算流场细节，因而无法准确地计算出风机叶片的非定常特性和瞬时载荷。为了能准确预报垂直轴风力机的非定常特性，Wilson于1978年提出了VortexSheet模型，该模型是涡模型的基础11。1979 年Strickland等人提出了V-DART模型，该模型属于自由涡模型，但是因为无法考虑叶片的动态效应，导致计算不准确12。D.vandenbergh和E.Dick考虑了动态失速效应在1987年提出了另一种自由涡模型，用于计算大展弦比叶片的风机叶轮气动性能13。2001年，阿根廷的Ponta和Jacovkis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：FEVDTM模型14。该方法尽管能有效地描述流场细节，但是不适用于小尖速比范围的计算，风机叶轮在小尖速比运行时，叶片攻角变化幅值很大，易出现前缘分离流，计算时难以收敛;其次是计算耗时长，不能满足工程设计中快速计算出叶轮气动性能的要求。近几十年来，随着计算机硬件和网格技术的发展，计算流体力学(CFD)得到了迅速发展，出现了诸如时间平均法(Reynolds Averaged Navier-Stokes equations RANS)，大涡模拟(Large Eddy Simulation-LES)和直接湍流数值模拟(Direct Numerical Simulation-DNS)等较多数值模拟方法，其中RANS有成熟的湍流模型，其中如 Baldwin-Lomax 模型，Spalart-Allmara模型，k-e模型等应用最为广泛15-21。Ferreira等对H型垂直轴风力机二维模型外流场进行分析，并对DES (Detaehed-Eddy)、LES和RANS三种计算模型进行了比较。In Seong HWang等用CFD计算了H型垂直轴风力机的功率，并对风力机的气动性能进行改进。S Streiner等采用CFD技术对水平轴风力机进行三维计算，对其气动性能进行了分析。K.Pope等人对垂直轴风力机添加挡风板作用进行了分析22。 2005年苗佩云、朱永刚等人选用标准k-湍流模型，应用动网格技术，运用有限体积法离散控制方程，采用分离隐式解法对垂直轴风力机旋转流场进行了数值模拟23。2009年，王鑫、童正明、王企鲲分析了传统垂直轴风力机效率低的原因，并数值研究了带有导叶的导流型垂直轴风力机的气动性能。研究结果表明：导叶不仅可以有效降低因来流对动叶轮吸力面的直接冲击而造成的阻力矩，而且还有助于改善来流对动叶轮压力面的有效冲击，这些均使风力机动叶轮的旋转矩得到显著增加因此，导流型垂直轴风力机可以有效克服传统垂直轴风力机性能上的缺陷，有望提高其风能利用效率24。2009年，郑云、吴鸿斌等人25对不同弦长的小型H型垂直轴风力机气动性能进行了分析。建立了风轮外流场数值模拟，采用移动网格技术，选用RNG方程湍流模型和基于压力的隐式Couple算法进行瞬态计算，获得风轮气动性能曲线，进而分析了叶片弦长对小型H型垂直轴风力机风轮气动性能的影响。2010年赵炜、李涛以一小型风力机作实例，运用两种方法分别计算垂直轴阻力型风力机的风能利用率。一种方法是通过对风力机叶片受力分析，利用风力和功率计算公式，借助Matlab工具计算；另一种方法是利用Fluent软件分析风力机在给定风速下的气动性能，仿真叶片气动流场流态，并计算叶轮的扭转力矩和风能利用系数等参数。比较了两种方法的优缺点，有助于垂直轴风力机的设计研发26。2010年，赵振宙、郑源等提出了螺旋形Savonius风轮，采用计算流体力学，从高径比(H/D)、叶片数、偏心系数(e/d)、叶片扭转角度（）4个参数对风轮进行了三维数值分析和性能优化。结果显示两叶片风轮性能高于三叶片的性能，当H/D=6、e/d=03、=180、叶尖速比为0.75时，风能转化率达02；模拟结果与试验结果吻合良好，证明模拟结果具有可参考性27。2011年姚激、黄剑峰等人做了关于变攻角垂直轴风力机三维定常流场数值模拟，应用Fluent软件求解三维定常不可压N-S方程,采用k-e湍流模型和SIMPLE算法,结合MRF复合坐标系技术,模拟垂直轴风力机的流场特性.获得并分析了不同攻角下的速度场、压力场分布,得到风轮叶片压力分布和转矩值.结果表明绕流场模拟能有效地反应风力机在不同攻角下的流场状况28。3 升阻结合型风力机垂直轴风力机包括垂直轴升力型风力机与垂直轴阻力型风力机。垂直轴升力型风力机的优点是转速快，风能利用效率高，但是缺点是对启动风速有要求，低风速下不能自行启动。阻力型风力机优点是启动风速小，但是风能利用率不高。将升力型风力机与阻力型风力机结合起来（图2），优化风轮的组合尺寸，以便充分发挥升力型风轮与阻力型风轮的优势，使其既具有良好的启动性能，又具有较好的风能利用率。1998年，毛镇山、张富昌设计了一个5kw升阻互补型立轴风力机，开创了升阻复合型垂直轴风力机的先河29。2009年，赵振宙、郑源等人研究了一种升阻互补型垂直轴风力机，采用型风轮与螺旋形风轮相结合的方式，设计阻力型叶片旋转直径与升力型叶片赤道直径比值为1：3-7,可使风轮风能利用率比现有互补型风轮的高5%。升力型叶片密实度=0.13-0.4，此区间内升力型叶片输出功率最大；阻力型叶片螺旋角度设计为90o-360o，在任意转角都有部分顺风凹面叶片受到风的推力，增加了风轮的正力矩，从而也增加了风轮的效率30。2010年,曲建俊，许明伟等人设计并制造了一种升阻复合型风力机，当负载扭矩为36Nm时，风力机仍能可靠自启动，其功率系数曲线具有阻力型垂直轴风力机和升力型垂直轴风力机的双重特点；当负载扭矩为1.5Nm时，其功率系数接近3031。5 结论从以上的论述中,我们可以发现，相比于风洞试验与解析解法，用计算流体力学技术CFD可以更好地解决垂直轴风力机的气动性能计算问题，可以应用CFD技术研究新型的升阻复合型风力发电机。参考文献1 施鹏飞.全球风力发电现状及发展趋势.2008年中国发电技术发展研究报告R.北京：中国水利水电出版社，2009：12-15.2 严冶. 离网式小型垂直轴风力发电系统的控制策略研究D .上海：华东理工大学，2009.3 李岩.垂直轴风力机技术讲座（一）垂直轴风力机及其发展概况J.可再生能源，2009，27（1）：121-123.4 袁新,徐利军,叶枝全,等. 水平轴风力机翼型大攻角分离流动的数值模拟J. 太阳能学报,1997.18(1):35-40.5 杨科,王会社, 徐建中. 基于CFD技术的高性能风力机翼型最优化设计方法. 工程热物理学报J,2007.28(4):586-588.6 牛海峰,张冬. 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