升阻力耦合Savonuis垂直风机之数值研究.pdf

升阻力耦合Savonuis垂直风机之重攵值研究Numerical Studies of a Savonuis Vertical AxisWind Turbine with coupled Outer Lift/Inner Drag摘要题目：升阻力耦合Savonuis垂直风机之数值研究摘要内容：本研究为模拟小型升阻力型耦合式垂直风机流场特性为主，风机结合了阻力型与升力型集片，其中阻力型集片形状为半圆弧型，升力型的集片翼型分别有NACA0018和NACA4412分布于不同半径研究方法采用CFD计算流体力学有限体积法求解Navier-Stokes方程式，以不可压缩流Coupled算则为主，结合非定常隐式二阶上风法，再配合经网格独立性测试之网格及具解析过渡流特征之紊流模式，另结合滑动网格法研究在不同风速下，分析新型风机在入口流与旋转流二项之交互作用下之 气动力特性其结果发现阻力型风机加了 NACA0018和NACA4412集片时一，其效能比原本只有阻力型的状态下之扭力输出值可以高出3.4倍，本研究复合式风机的流场较为复杂，因为在流场的运算以Coupled法则为最佳方法关键词：有限体积法、垂直轴式风机、导风板、功率。

AbstractTitle of Thesis:Numerical Studies of a Savonuis Vertical Axis Wind Turbinewith coupled Outer Lift/Inner Drag BladesThe Contents of Abstract in this Thesis:The aim of present thesis is to investigate the aerodynamic performanceof a novel vertical-axis wind turbine(VAWT)with CFD method.The novelwind turbine blades system is composed of one or two outer rings of NACAblades and inner ring of semi-circular plates.The NACA series blades withhigh lift/drag ratio were used to generate enough torque force when the windturbine is started.The inner portion of wind turbine is equipped with three tofour pieces of curved plates which was considered to be worked at low windspeed environment.Two profiles of NACA series blades as NACA0018 andNACA4412 were settled on outer rings of turbine blades and their effect onthe aerodynamic data were tested.The unsteady flow structure around the wind turbine blades were obtainedby solving the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations in Fluent software.After testing various scheme to discrete the pressure term in momentumequation,the“Coupled“scheme is selected.The MRF scheme is applied tomodel the dynamic motion of multi-layers of wind blades.The powercoefficient with respect to the tip velocity ratio is provided and discussed.Results indicated that the wind turbine with additioned blade of NACA0018and NACA4412 can generate 3.4 times of power output as compared withthat only equipped of curved-plates in central portion.Keywords:CFD、Vertical-Axis Wind Turbine、Profiled blades PowerCoefficient目 盖 亲摘 要.IAbstract.II谢 志.IV目 .V表目嚏亲.VII图目 .v n i符号索引.IX第 1章 前 言.11.1 风机基本介绍.11.2 文献回顾.51.3 研究动机与内容.6第 2 章 研 究 方 法.82.1 数学模式.82.1.1 统御方程式.82.2 紊流模型.112.3 妻攵值方法.132.4 壁面函数.142.5 滑动格点.15第 3 章 几何构型、格点系统与边界条件.173.1几何构型.173.2 格点系统.213.3 边界条件设定.243.4 程序验证分析.263.5 法贝ij选择验证.27第 4 章 结果与讨 .324.1 阻力型风机 unsteady 与 quasi-steady 分析.324.1.1 阻力型风机外型比较分析.334.1.2 三片式扭力曲线分析.364.2 风机扭距圈数选择分析.434.3 阻力型与升力型风机扭距分析.434.4 复合式风机各蕖片的Cm值分析.494.4.1 第一组翼片Cm分 析.514.4.2 第二组翼片Cm分 析.544.4.3 第三组翼片Cm分 析.574.5 风机在不同尖速比下效能分析.604.6 风机在不同转速下效能分析.65第 5 章结 .68参考文献.70作者简介.72图目图 1-1 水平式风机.1图 1-2 垂直轴式风机.1图 1-3 水平轴风机型式.2图 1-4垂直轴风机型式.2图 2-1 控制体积及蹄散化示意图.14图 2-2 滑动格点技术图解示意图.16图 3-1 三片式(Tri-Bladed)之 Savonius垂直轴式风机原型示意图.17图 3-2 二维风机模块之几何构型示意图.18图 3-3 NACA4412翼剖面图.18图 3-4 NACA0018翼剖面图.19图 3-5 二维三片式垂直风机几何构型示意图.19图 3-6 二维三片式风机与NACA0018几何构型示意图.20图 3-7 二维三片式风机与NACA0018、NACA4412二种翼型几何示意图.20图 3-8 M odel-3二维风机模块格点示意图.21图 3-9 二维阻力型风机模块格点局部放大示意图.22图 3-1 0 二维升力型风机模块格点局部放大示意图.22图 3-11 M odel-2二维风机模块格点示意图.23图 3-12 Model-3二维风机网格验证图.23图 3-13 Model-2二维风机网格验证图.24图 3-1 4 边界条件设置示意图.25图 3-1 5 不同法则模拟风机Cm分析.28图 3-1 6 不同法则模拟风机第10圈下的Cm分析.28图 3-17 SIMPLE法则模拟Cm频普分析.29图 3-18 P IS O 法则测试复合式风机流场速度向量图.29图 3-19 S1M PLEC法则测试复合式风机流场速度向量图.30图 3-20 SIM PLE法则测试复合式风机流场速度向量图.30图 3-21 C oupled法则测试复合式风机流场速度向量图.31图 4-1 二维(quasi-steady)与二维(unsteady)三片式风机模拟于不同风速结果之输出扭力比较图.31图 4-2 二维(quasi-steady)与三维(quasi-steady)三片式风机模拟于不 同风速结果之输出扭力比较图.32图 4-3 雨种不同的垂直式风机改变外形弧度之研究矩阵.33图 4-4 三片式垂直式风机改变外形弧度扭力分析图.33图 4-5 二片式垂直式风机改变外形弧度扭力分析图.34图4-6 三片式风扇不同导流板角度示意图与效能曲线图.34图 4-7 三片式与二片式在未加导板时的流场分部图.35图4-8 比较二片式与三片式Cm 曲线图.36图4-9 三片式加导板与三片式未加导板时的Cm曲线图.36图4-10三片式加导与三片式未加导板时的流场分部图.37图4-11二片式加导板与二片式未加导板时的Cm 曲线图.38图4-12二片式加导板与二片式未加导板时的流场分部图.39图4-13三片式未加导流板与三片式加导流板时的Cm 曲线图.39图4-14三片式弧度50、导板30。

型垂直风扇效能曲线图.40图4-15风机压力分布与速度向量比较图(Vin=5m/s,O=0.5rad/s).41图4-16 Coupled法则在不同圈数下比较分析.42图4-17阻力型风机收敛曲线分析.43图4-18阻力型与升力型NACA4412风机收敛曲线分析.44图4-1 9 阻力型与升力型NACA4412及 NACA0018风机收敛曲线分析.45图4-20不同的几何Model扭矩系数比.47图4-21复合式风机各个翼片的扭距变化分析图.47图4-22风机翼片第一组禁片分析图.48图4-23风机翼片第二组集片分析图.49图4-24风机翼片第三组蕖片分析图.49图4-25第一组翼片峰值位置图.50图4-26第一组翼片NACA0018集片流场分析.51图4-27第一组翼片NACA4412蕖片流场分析.51图4-28第一组翼片阻力型集片流场分析.52图4-29第二组翼片峰值位置图.53图4-30第二组翼片NACA0018集片流场分析.54图4-31第二组翼片NACA4412集片流场分析.54图4-32第二组翼片阻力型蕖片流场分析.55图4-33第三组翼片峰值位置图.56图4-34第三组翼片NACA0018集片流场分析.57图4-35第三组翼片NACA4412集片流场分析.57图4-36第三组翼片阻力型蕖片流场分析.58图4-37尖速比在不同风速下之曲线图.60图4-38 Model-2压力流场可视化分析.61图4-39 Model-3压力流场可视化分析.62图4-40 Model-3速度流场可视何分析.63图4-41在不同的转速与风速下之功率曲线分析.65图4-42在不同的转速与风速下之功率曲线分析.65图4-43 VAWT最大功率曲线分析.66号索引A,尖速比 T i p s p e e d r a t i o (Rc o/V)C弦长co风机角速度(r a d/s)V入口风速(m/s)0风机集片转动角(d e g r e e)(p风机集片有效攻角(d e g r e e)x/c X方向单位弦长y/c y方向单位弦长Cm 力矩系数(m o m e n t/0.5 p A V2)Cp 功率系数(T 3/0.5QA V 2)R e雷 吉 若 敦孙在天方向上的速度分量P 密度(D e n s i t y)P 静压(S t a t i c P r e s s u r e)动力黏滞系重攵(D y n a m i c V i s c o s i t y)T“黏滞剪应力张量(v i s c o u s s t r e s s t e n s o r)S源项(S o u r c e T e r m s),本研究为旋转机械所以其中包括科氏力近年来受温室气体的影响，全球的气候变迁，世界各国都开始采用天然的资源与再生能源，这些包括了太阳能、风能、水利能、潮汐能、地热能及生质能等资源。

而本研究针对风的能量来加以运用，利用风经 过禁片产生动能的特性，并带动发电机产。