垂直轴风力机复杂流动的研究

bb20920d · 发表于 2022-5-5 21:54:06

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风能作为清洁可再生能源中的优质能源已受到广泛的关注，利用风能进行发电是目前风能利用和研究的主要方向。风力发电机是将风能转变为电能所必需的机械装置，其中垂直轴式风力发电机是风力发电机的一种重要类别，与常规的水平轴式风力机相比在结构及工作原理等方面具有独特的优势和广阔的发展前景。但是这种风力机涉及的流动现象十分复杂，目前对垂直轴风机复杂流动的细致研究依旧十分少见，对其流动机理及其如何影响风机气动效率的认识尚不够深入，风机气动设计的基础题目至今仍未得到很好的解决，因而开展对垂直轴风机复杂流动的研究是必要的和适时的。本文主要工作是通过实验和数值模拟两种手段对型垂直轴风力发电机(垂直轴风机的一种)在其不同典型工况下的气动性能、复杂流动现象和机理进行研究和探讨，为高效能垂直轴风力机提供理论基础。实验工作包括通过风洞实验，在测量某型垂直轴风力发电机模型在多种典型工况下叶片气动性能（功率系数）特性曲线的同时，采用粒子图像测速技术（PIV）对旋转状态下该垂直轴风机近叶片区域绝对速度场进行测量，并由此导出涡量场及非惯性系下的相对速度场, 揭示了风机旋转叶片附近区域在不同相位角时的流动细节及流动演化发展过程，并为分析不同工况下风机气动效率的变化提供依据。此外，这部分实验工作在理论研究方面可为数值模拟及湍流模型的研究提供数据验证支持；在工程应用中可为高性能垂直轴发电机的设计研发提供参考依据。数值模拟工作的思路是以计算流体力学方法（CFD）作为研究的工具和手段，与实验研究互相补充、结合分析，对垂直轴风机旋转过程中非定常气动力、转矩的变化规律及流动现象进行研究。由于动态失速现象是垂直轴风力机中常见的重要流动题目，因而本文对于低雷诺数下的动态失速现象专门提出进行研究，通过对作正弦振荡叶片中典型的动态失速现象采用包括雷诺平均方法和分离涡方法等多种数值方法进行专门研究，选取合适的湍流模拟方法及湍流模型，继而在垂直轴风机动态失速的数值研究中加以应用。

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