非定常风载作用下垂直轴风机的气动载荷和性能研究

摘要

为了减少城市中的大气污染，风能作为一种廉价的可再生能源受到了广泛关注。垂直轴风机是获得风能的一种重要形式，因此人们开展了许多针对垂直轴风机气动载荷和性能的研究。但是现有研究大多是针对定常风场开展的，目前关于非定常风场中垂直轴风机气动载荷和性能的研究相对较少。本文采用数值模拟和风洞实验相结合的方法，针对非定常风场中垂直轴风机的气动载荷及性能进行了深入研究。具体研究内容如下：
　　采用基于N-S方程的数值模拟方法，针对采用NACA0012和NACA0022翼形叶片的两种垂直轴风机，开展了风机气动载荷和气动性能的数值模拟研究。将风机功率系数的数值结果与文献中的实验数据进行了对比，结果符合较好，从而验证了数值计算方法的有效性。
　　开展了在非定常风场条件下叶片厚度、叶尖速比、来流速度波动频率和来流速度波动幅值等参数对垂直轴风机气动性能影响的数值模拟研究。结果表明，较大的叶片厚度、叶尖速比和来流速度波动频率有助于提高风机的气动性能，而较大的来流速度波动幅值会导致风机气动性能的下降。
　　针对肯尼亚国内两个城市的实际非定常风场，开展了垂直轴风机气动载荷及性能的数值模拟研究，并将数值模拟获得的功率密度与实测数据进行了对比，验证了数值计算方法的实际工程应用价值。
　　采用风洞实验方法，开展了小型Savonius风机在湍动来流条件下的非定常气动特性研究。在风洞实验中利用湍流发生器实现了湍动来流条件，采用旋转扭矩传感器测量风机的扭矩，并进一步分析获得了风机的气动载荷及性能。结果表明，湍动来流对风机气动载荷及性能均有影响。
　　本文的研究成果有助于深入理解非定常风场条件下的垂直轴风机的气动载荷、气动性能及其形成的物理机制，将为考虑非定常风场条件的风机设计和研制奠定理论基础。

目录

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中文摘要

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目录

Chapter 1 Introduction

1.1 Study Background

1.2 Main Features of the VAWT Rotor Blade Operation

1.3 Research Objectives

1.4 Thesis Outline

Chapter 2 Modelling of VAWT rotors under unsteady winds operation

2.1 Introduction

2.2 Computational aerodynamics theories for VAWT rotors

2.3 Computational Fluid Dynamics \(CFD\) for VAWT rotors

2.4 Experimental Fluid Dynamics \(EFD\) for VAWT rotors

2.5 Summary

Chapter 3 Analytical formulations and CFD approach for enhanced unsteady wind energy capture

3.1 Introduction

3.2 Theoretical basis and Analytical formulations

3.3 Computational Fluid Dynamics Method

3.4 Enhanced Wind Energy Capture in a Fluctuating free-stream

3.5 Summary

Chapter 4 Influence of operating conditions on VAWT operating within a fluctuating free-stream

4.1 Introduction

4.2 Steady wind performance

4.3 Unsteady wind performance

4.4 Summary

Chapter 5 A numerical analysis of unsteady inflow wind for site specific VAWT

5.1 Introduction

5.2 Unsteady inflow wind performance

5.3 Site specific unsteady inflow wind fluctuations

5.4 Flow visualization

5.5 Summary

Chapter 6 Experimental results and analysis of VAWT aerodynamics and performance

6.1 Introduction

6.2 Experimental methods

6.3 Experimental results and analysis

6.4 Summary

Conclusion

结论

论文主要工作总结

论文创新点

进一步工作设想

参考文献

Appendix A Dynamic Stall Model

A.1 Incompressible Boeing-Vetol Dynamic Stall Model

A.2 Berg Correction

Appendix B CFD Model time step size preliminary tests

List of Publications

声明

致谢

Resume