三叶片直翼式垂直轴风力机气动性能模拟研究

随着环境问题的日益突出,能源供应的渐趋紧张,可再生能源越来越引起人们的重视。而作为可再生能源形式的风力发电,不但清洁无污染,而且是可再生能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一,已受到世界各国的欢迎和重视。水平轴风力机和垂直轴风力机是风力机的两种基本形式,其中水平轴风力机是目前应用最广的一种风力发电机,而垂直轴风力机凭借其自身的特性,也越来越被人们所重视。另外,随着现代计算机技术的发展和三维湍流模拟技术的提高,CFD方法在风力机气动性能研究中的作用越来越明显。基于此,本文选取了具有代表意义的风力机专用NACA0015翼型,对其稳态及非稳态流场进行了数值模拟研究。 本文首先选取S-A湍流模型和SST湍流模型对NACA0015翼型原型进行了稳态的数值模拟,比较了因湍流模型的不同带来的差异,得出了该翼型的气动特性,在此基础上选取了较为合适本文算例的S-A湍流模型对添加了不同高度的Gurney襟翼的NACA0015翼型进行模拟,并与NACA0015原型翼型进行了比较,数值模拟的结果表明,在风力机翼型尾部添加襟翼,确实能够提高翼型的最大升力系数和有效升力系数,其增升效果与其高度密切相关,比较得出在襟翼高度为2%弦长时,可达到稳态下最佳升阻比的输出效果。 然后采用Fluent软件中的滑移网格技术对直叶片垂直轴风力机整体进行了非定常数值模拟,得到尾流速度、特定过流断面的速度分布规律,结果表明,采用滑移网格技术对直叶片垂直轴风力机进行非定常的数值模拟能够较好地反映流场特性。接着基于对添加襟翼稳态计算的结果,对采用NACA0015原型及三个系列8种不同尾部改型形式(包括Gurney型、Gurney型内外侧改型、T型)模拟计算出功率系数并进行了对比分析,结果显示2%内部改型及T型尾翼叶片出力特性要优于原始叶片,尤其在尖速比3左右,能较大的提高整机功率,但是改型适用的尖速比范围尚小,随着尖速比曾到3.5以后,任何尾部改型形式在运转过程中都有阻力增大的趋势,此处仍需继续深入的研究。最后,总结并讨论了本课题未来的研究方向,为进一步的研究奠定了基础。