5kW垂直轴风力机气动性能研究

【摘要】5kW垂直轴风力机属于中小型风力机,它可以作为一个独立的系统来供应个人家庭的用电和热,也可以作为独立式的技术设施用于市区照明等,还可以建立一个电网连接,用于乡村电站等领域,有助于减少电费。而目前我国对于垂直轴风力机的研究还处于起步阶段,但在近些年来中小型风力机越来越得到许多学者的关注。本课题对一特定5kW垂直轴风力机的风轮参数设计、风轮气动性能预测、风轮数值模拟和风力机整体仿真等进行探讨研究,其中主要内容包括以下几个方面：首先,整理和总结了垂直轴风力机设计的一些理论知识,重点介绍了当下气动计算较准确的双盘多流管模型理论,对该理论的重要公式推导进行了梳理,通过垂直轴风力机的理论对5kW垂直轴风力机的风轮初步设计,并运用双盘多流管模型对其进行分析研究。得出了一些结论：第一,三叶片垂直轴风力机能够得到更高的功率系数,但在高功率系数的范围较小,而二叶片垂直轴风力机的功率系数较低,但在高功率系数的范围较大；第二,对于该5kW垂直轴风力机,当叶尖速比λ≥3.5时,上风转子对下风转子具有明显的实质性影响,并且上风区域功率系数峰值产生于高叶尖速比工况,而下风区域功率系数峰值产生于低叶尖速比；第三,由于诱导速度的变化,三叶片的法向力系数与切向力系数随着位置的不同(处在上风区域还是下风区域)而不同,上风转子的气动载荷较大,而下风转子的气动载荷较小；第四,上风区域和下风区域中的流动阻滞效应随转子实度的增大而增强,且在下风区域表现的更为明显。其次,对5kW垂直轴风力机选取的翼型进行了二维数值仿真,并在ICEM软件中对风轮流场进行二维建模和网格划分,再通过FLUENT软件采用滑移网格技术对该5kW垂直轴风力机风场进行二维非定常数值仿真。通过对数值仿真结果的分析,得出了一些结论：第一,对于NACA0018翼型在10度之前并未出现边界层分离与失速现象,但到了15度时已能明显看到边界层分离与失速现象；第二,NACA0018翼型升力系数从0度开始逐渐增大,在12°左右达到最大值(即为失速点),之后升力系数下降；而对于阻力系数而言,仿真数据与实验数据有一定的误差,但总体趋势还是一致的。因此,CFD软件对于压差阻力计算较为精确,而对于摩擦阻力计算还存在一些需要解决的问题,并不能很好的模拟出阻力的变化情况；第三,叶尖速比是影响风力机功率系数的重要影响因素；第四,在叶尖速比较低的情况下,可以看到很明显的涡脱落现象,这样降低了升阻比,使风力机的功率下降。最后,本文建立了5kW垂直风力机风轮的数学模型,并将风轮模型在MATLAB/SIMULINK中建模,与风速、传动系统、转速控制系统组成风力机模型,对该风力机的输出特性进行分析。得出了一些结论：MATLAB/SIMULINK软件可以很好的模拟风力机的整体特性,在对于转速控制器中kp、kl参数选取中,对于参数的选取不宜过大与过小。
【作者】李金龙；
【导师】敏政；杨瑞；李树豹；
【作者基本信息】兰州理工大学，动力工程，2014，硕士
【关键词】垂直轴风力机；风轮设计；双盘多流管模型；气动性能研究；流场仿真；

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