Darrieus型垂直轴风力机自由尾迹模型评估及气动性能分析

摘要

在新能源发电技术中,风力发电由于其技术的相对成熟性及成本的相对低廉性受到广泛关注。风力机主要分为垂直轴风力机和水平轴风力机两种,垂直轴风力机具有以下水平轴风力机不可替代的优点:结构简单;适合在低风速条件下运行;输运灵活、便于安装,可用于离网型系统。
　　但是,垂直轴风力机的流场非常复杂,在风力机旋转一周的过程中,叶片的表面流场不断变化,对风力机气动性能有很大影响。论文采用基于势流理论和动态失速模型的Fortran程序,对垂直轴风力机的气动模型进行了评估和验证,并对风力机气动性能进行了研究。论文的研究主要有以下四部分:
　　(1)对程序中使用的气动模型进行了介绍,二维气动模型基于势流理论中的“单尾迹模型”;三维气动模型基于势流理论中的“自由尾迹模型”。最终的气动模型是分别将这两个模型与动态失速模型进行耦合得到,以考虑动态失速和粘性效应对风力机气动性能的影响。
　　(2)采用改编后的程序分别对二维及三维风力机模型进行数值计算。计算实验结果对比表明,二维气动模型对风力机平均风能利用率的预测与实验值符合的较好,对于瞬时力,该气动模型能够定性的预测CN和CT的变化趋势。在三维气动模型的计算中,则分别考察了三维效应以及叶端锥度对风力机气动性能的影响,数值计算结果表明,在叶片端部,由于诱导阻力的产生,风力机的输出功率显著减小;叶片两端的锥度的引入可以有效提高叶尖处的输出功率并且减少法向推力。数值和实验结果对比表明,在低叶尖速比和中等叶尖速比处,三维气动模型的结果和实验结果符合的比较好。
　　(3)采用二维及三维气动模型,对叶片实度及扫掠角对垂直轴风力机气动性能的影响进行了研究。

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1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要工作

2 基本理论及数学模型简介

2.1二维气动模型介绍

2.2三维气动模型介绍

3 气动模型验证

3.1 引言

3.2 实验简介

3.3 二维气动模型验证

3.4 三维气动模型验证

3.5 本章小结

4 垂直轴风力机参数研究

4.1引言

4.2 风力机实度的影响

4.3 叶片扫掠角的影响

4.4本章小结

5 全文总结和展望

5.1全文总结

5.2工作展望

致谢

参考文献

附录