小型風機提高風能利用率的研究

DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterIMPROVEMENTOFASMALLWINDTURBINEWITHCURTAINING LIStudent Prof.CHENGuangyeAcademicDegreeapplied Masterof Marine SchoolofNavalArchitecture，OceanandCivilEngineeringDateof Jan，Degree-Conferring- ShanghaiJiaoTongSavonius小型垂直式風力機具有能夠在較低風速下起型簡單，易于的特點，適合分布式發(fā)電的要求。為了提高Savonius小型垂直式風力機的風能利用采用CFD方法研究了在來風方向增加導流研究分為三個部分進行，第一部分是數(shù)值計算模型的建立與驗證。利用ambit繪制網(wǎng)格并在luent下實現(xiàn)建模仿真，采用k-ε湍流模型。進行模型調(diào)試。本文比較二維、三維模型的結(jié)果差異并分析原因。第三部分中，文章采用二維模型比較了有無導流板、不同導流板長度、不同安裝角度和不同安裝位置情況下葉片周圍的流場分布以及葉片對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的靜態(tài)力矩。0導流板位置對靜態(tài)力矩所帶來的影響可以忽略。本文建立的二維、三維仿真模型均正確反映了風機的靜態(tài)力矩的化。在這一模型的基礎上對有導流板此外，合理安裝導流板可以使得該型風機的葉片靜態(tài)力矩提高20%-40avonius型風機的風能利用率。：Savonius風機，仿真，導流板，風能利用率，靜態(tài)STUDYONNUMERICALSIMULATIONOFASMALLWINDTURBINEThisresearchaimsatimprovingtheperformanceofSavoniuswindturbinewithCFDmethod.Inpreviousstudies，acurtainingarrangementwasintroducedthroughwindtunnelexperiences.Asanaddition，simulationsonmoreparametersofthecurtainhavebeenconductedinthisThisstudycontainsthreephases.Firstly，anumericalmodelhasbuiltandsimulatedwiththehelpofFluent.Secondly，themodelhasbeenthusvalidatedbywindtunnelexperimentaldataconductedinpreviouspapers.Bothtwo-dimensionandthree-dimensionhavebeeninvolved.Thirdly，threegeometricalparameters，namelyinstallationangle，lengthofcurtainandpositionofcurtain，aretakenintoconsiderationinthisstudy.Influencesofeachparameterareyzedthroughnumericalsimulationsrespectively.torquesiscomparedineachItisshownthatcurtainarrangementsignificantlyimprovesstaticthustheefficiency.Installationangleandlengthofcurtainareimportantparameterswhileinstallationpositiondoesnotaffectmuch.CurtainarrangementisfoundaneffectivemethodologytoincreasestatictorqueandthusimprovemechanicalefficiencyofSavoniuswindturbine.:Savoniuswindturbine，numericalsimulation，curtain，performance，statictorque第一章緒 國內(nèi)外研究現(xiàn) 本文研究內(nèi) 第二章研究的基本理論與方 風機控 CFD方法研究風機問 CFD方法概 Fluent軟件特 基本方 有限體積 本章小 第三章Savonius風機模型建 Fluent建立風機數(shù)值模 本章小 第四章Savonius型風機模型驗證及比較分 引 Savonius型風機三維模型的建 兩葉片、三葉片Savonius風機比 本章小 第五章導流板改進風機風能利用 引 本章小 第六章結(jié)束 參考文 致 攻讀期間已或錄用的第一章全球經(jīng)濟發(fā)展使得對能源的需求不斷增加，201312720121.5%[1]所造成的影響達成了共識：傳統(tǒng)能源的開采和使用導致了環(huán)境污染、全球變暖和經(jīng)濟波動。非化石以及分布式發(fā)電機的使用可以彌補傳統(tǒng)能源開采的下降，并對社會的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻與此同時非化石開始有所起色是在2013年其增長趨勢大踏步上升，占世界范圍內(nèi)發(fā)電能源的30%以上，而在歐洲與等地則替代了之前的化石成為市場中的主角。而可再生能源是其增長的最大動力?？?6.3%（170太瓦時20132.7%5.3%。來說風能是由空氣流動而產(chǎn)生的動能其實是能的一種轉(zhuǎn)化形式風的產(chǎn)生機理是從而來的輻射對地表和空氣不均勻地傳導熱量，從而引起在大氣層中各處風能利用古已有之，19世紀末以集空氣力學所設計出的傳統(tǒng)荷蘭風車實現(xiàn)（windmill化集中型風電場在風力發(fā)電工業(yè)中占有大部分。然而，從中心發(fā)電廠架設一條輸電線路到偏遠地區(qū)的費用往往是非常高的，因此，小型風力發(fā)電設備被視作向偏遠鄉(xiāng)村地區(qū)供電的首選方案而在發(fā)電市場上逐漸嶄露頭角[2]在的鄉(xiāng)村地區(qū)它力發(fā)電機還會將多余電能輸送回電網(wǎng)。在法國的一些偏遠山區(qū)，并沒有選擇架設控制的輸電線路，而是在一些當?shù)赝顿Y建設風力和能發(fā)電系統(tǒng)。在這些[3][4]活和工作?？梢灶A見在未來，分布式小型風電系統(tǒng)的應用場景和范圍將會更加廣闊[5]。這表明了社會在支持使用一種可再生的、隨處可見的天然能源以實現(xiàn)清潔空氣太地區(qū)風能消費量明顯高出其他地區(qū)，又以亞洲地區(qū)增長最快。我國在亞洲地區(qū)的1.12009-2013全球風能消費量Fig.1.1Globalwindenergyconsumptionfrom2009toDarrieusG.J.M.Darrieus[7]Savonius這種風機的彎曲羽翼形狀并局旋轉(zhuǎn)時的離心力的變化使葉片產(chǎn)生彎曲，而是根據(jù)抗拉應力的作用變成跳繩狀（Thetropokinhpe。無論哪個風向都可以旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機等具有重量的器材設置在離地面較近的地方也是其優(yōu)點。簡單的造型大大降旋轉(zhuǎn)圓筒上的gnus效應的Flettner1982.gnusFlettner194gnusFlettner型風車利用阻力的桶形風機為芬蘭S.Svonius于1942年取得專利這類風機是以兩個半圓筒狀的受風斗面對面安裝，利用離心力的作用。其原理為受風斗上凸側(cè)和凹側(cè)的阻力不同，加上部分氣流從迎風面的受風斗處的縫隙間流動到受風造型簡單易于的特點能夠應分布式發(fā)電的要求本文研究對象是小型風力發(fā)電機中的Svonius垂直型風機。風機作為一種小型分布式發(fā)電設備得以提出，但目前并沒有得到廣泛的使用。Savonius風機具有低成本和對小的特點，同時還具有一下特征：1.2SavoniusFig.1.2SketchofSavoniuswind123、工作噪聲低，對較小，其在工作時的角速度低45、具有較高的靜態(tài)和動態(tài)力矩[8][9]SvoniusSvonius風機轉(zhuǎn)子的不同布置形式進行了探索并得出結(jié)論：不同的轉(zhuǎn)子布置形式對風機的性能參數(shù)具有顯著的影Svonius[10][14][30]0.05-0.30研究結(jié)論依然存在著一些，需要進一步的探究。目前用的主要方法有三種，一種是風洞試驗，一種是理論的數(shù)值計算[11]，還有一種是基于計算機仿真的研究分析。Savonius風機是一種垂直型風機，其受到風作用在受風斗面上的阻力而進行工功率系數(shù)p，如1所示，用來表征風機的性能。該系數(shù)為分數(shù)形式，分子V0具有的動能。C

r

（1-12AV0 12AV0 在1中，P是轉(zhuǎn)子功率，M是轉(zhuǎn)子力矩，ρ是空氣密度，A是葉片的掃瓊面V0的比值，稱為葉尖速比。Svonius型風力機功率系數(shù)比之其他風機偏低，如圖1.3所示。其中tzefficiency0.45Darrieus0.35。在空氣螺旋槳中，兩葉片風機效率的最大值高于Darrieus的高速轉(zhuǎn)動則會帶來隨之而來的一些問題，比如更大的噪聲以及傳動部件更易磨損Savonius在低風速下就能開始運轉(zhuǎn)，從而在低風速地區(qū)尤其是城市地區(qū)，應用的靈活性與廣泛的適用性要優(yōu)于其他類型的風機。1.3各類風機功率系數(shù)比較Figure1.3ComparisononCpofseveralwind對Svonius風機轉(zhuǎn)子的性能的研究主要通過風場和風洞試驗[13][14][15][16][17][18]19][20]Frnndo和odi[14指出，在理論上對Savonius轉(zhuǎn)子性能的預測是的，其原因在于風機周圍的氣流較為復雜，同時風筒之間的相互干擾也加大了在理論上評估該型風機轉(zhuǎn)子性能的D’Alessandro等人[21]，AltanAtilgan[22]和med等人[23]提出一種能夠獲得Savonius轉(zhuǎn)子的瞬時功率隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而呈周期性的變化，這些研究獲得了在給定旋轉(zhuǎn)速率和穩(wěn)定風速下，轉(zhuǎn)子的性能參數(shù)（M，P，CM和Cp。這些研究表明，平[24]Savonius風機轉(zhuǎn)子得以提出，發(fā)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子外形的改變會顯葉片兩端的擋板、葉片比、葉片間距、葉片比[25]、葉片數(shù)目[26]、轉(zhuǎn)子洞試驗的研究或者相關(guān)的計算機仿真，從而找出其改變對風機功率特性的影響規(guī)律Savonius風機性能的附件。葉片擋板的有效率的工作。其原因在于，葉片兩端的擋板能夠空氣從葉片凹面處向外部逸風機的葉片比為風機的高度除以其半徑關(guān)乎到風機的重要參數(shù)指標具有較高葉片比的Savonius轉(zhuǎn)子受葉片邊緣效應的影響具有較低的能量損失，因此提高Savonius風機的葉片比具有和增加葉片擋板類似的作用。研究表明，當葉的葉片比可依據(jù)發(fā)電設備的旋轉(zhuǎn)速率的需要進行調(diào)整。研究表明，隨著轉(zhuǎn)子的力矩和風機的慣性的減小和葉片比的增加，風機的角加速度得以增加。葉片間距和對轉(zhuǎn)子性能的影響的確定是對Svonius風機研究的重點，許多研究表明葉片間沒有間隙能夠為半圓剖面葉片的轉(zhuǎn)子提供最好的性能。對于大的葉片間隙，空氣不能很好的集中在葉片的凹面處，減少了風機的功率。對于葉片的重疊目前的研究并沒有對該參數(shù)對轉(zhuǎn)子性能的影響達成一致的認識Fuji[15]，葉片間的最佳范圍為葉片斗弦徑的15%lakwll[18]該參數(shù)應為斗弦徑的10-15%。xndr，[26]和ojol[17葉片間為斗弦徑的20-30%能夠提供最好的風機性能表現(xiàn)。Vance[9]，Blackwell等人[31]，Saha等人[16]以及Shankar等人[32]，Savonius型Savonius葉片數(shù)目會減少最大平均功率和力矩系數(shù)。到風機上的機械能[16][33][29]。綜上，具有兩個葉片的Savonius轉(zhuǎn)子較其他葉片數(shù)目的轉(zhuǎn)子具有更大的最大平均功率系數(shù)。Saha等人[16]Hayashi等人[34]提出一種能夠在通過研究可以獲得無窮多種葉片和轉(zhuǎn)子形狀的組合，風機性能曲線會受到不同種類的葉片和轉(zhuǎn)子的影響。“鉤子形的葉片剖面作為一種典型葉片得到了廣泛的研moji等人[35]通過研究得到了鉤子0.21，而半圓0.19鉤子形葉片更高的功率系數(shù)原因在于氣流更直接的作用于葉片的邊緣，而鉤子形葉片能夠很好符合這一特點。面的葉片更大的力矩，和“鉤子”形剖面葉片類似。Saha等人[16]通過研究，得到了該0.31Savonius轉(zhuǎn)子得到了廣泛的研究[36]，其可被理解為具有很小高度，逐0的無限階數(shù)的轉(zhuǎn)子。螺旋轉(zhuǎn)子對風機性能曲線的影響和增加多級轉(zhuǎn)子所造成的影響類似[37]。因此，該型轉(zhuǎn)子的力矩的波動很小。然而，Kamoji[38]發(fā)現(xiàn)，螺旋轉(zhuǎn)子的性能表現(xiàn)和具有半圓形剖面的葉片的轉(zhuǎn)子的性能差別不是十風機的附件也會對風機性能產(chǎn)生一些影響，例如轉(zhuǎn)軸。根據(jù)之前對Savonius風葉片間隙和葉片的應該得到提升，以補償轉(zhuǎn)軸對氣流通過的阻礙0.260.31用力占據(jù)了較大的在之前的研究中提出了減少凸面受風阻力的方法其中包Savonius風機的風輪效率，導流板就是一種輔助結(jié)構(gòu)。圖1.4為風機導流板輔助機構(gòu)的示意圖，在迎風方向，布置了abl1和l2，αβ。Burcin[39]等人發(fā)現(xiàn)風機所布置的導流板，其長度越長，風力作用在風輪θ=60o和不同夾角38.5%。1.4Fig.1.4Windturbinewithcurtain矩，KunioIrabu[40]等人提出了一種將Savonius風機布置于導風箱內(nèi)的方法，如圖1.5風方向的出風口。述研究中，共有兩種Savonius風機得到了研究，一種為雙葉1.231.5倍。研究發(fā)現(xiàn)，導的比值λ1，和導風箱內(nèi)壁之間的距離和葉片直徑之比值。當λ1小于0.7，大于0.3的Savoniusλ21.4的時候，上述兩種Savonius風機能夠有最大的功率。1.5Fig.1.5Windturbinewithguide-Savonius型風機采用輔助機構(gòu)可以達到凸面受風和負轉(zhuǎn)矩減小，增大功率的lakwll等人[28]發(fā)現(xiàn)提高雷諾數(shù)能夠影響轉(zhuǎn)子葉片的邊界層分離，增加的雷諾數(shù)推遲了轉(zhuǎn)子葉片凸面的邊界層0-180[41]運用計算流體力學0時的一個靜態(tài)轉(zhuǎn)子上提升雷諾數(shù)的影響。Savonius風機性能的因素是紊流強度，其表征了設備周圍的氣。Savonius風機性能的方法是在風機上安裝定子。定子是固定安設備的輸出med等人[42]運用計算流體力學方法優(yōu)化了Savonius風機的幾何外30%。。Savonius型風機，其轉(zhuǎn)子布Savonius風機進行Savonius風機性能研究的結(jié)論還存存在著探索的需要。當風機轉(zhuǎn)子布置在風洞中的時候，設備會引起氣流發(fā)生收速。因此，需要有法來估算這種改變了的風速。Ross發(fā)現(xiàn)使用不同計算方法何尺寸和氣流參數(shù)下，不同的計算方法所得到的結(jié)果也存在著明顯的區(qū)別。Savonius風機性能的結(jié)論存在著明顯的不同，因此需要注DarrieusSavonius型風機組合起來，組成新的轉(zhuǎn)子取SSavonius型風力機的風機性能。這些因素主要是風機的外形。葉片兩端的擋板可以組織空氣從葉片凹面處向外部逸散從而增加最大平均功率系數(shù)；風機葉片10%-15%左右時風機性能更優(yōu)；Savonius響與多級轉(zhuǎn)子的影響類似都可以降低波動當組合Savonius風輪與Darrieus風SavoniusCFDSavonius型風機進行了仿真和改進，對Savonius型風力機建立了數(shù)值模型，并且使用增加導流板的方法以改進風機風能利用率，克服了Savonius型風機的固有缺陷。主要研究內(nèi)容如下：力發(fā)電系統(tǒng)的原理以及在大型電廠、小型分布式發(fā)電網(wǎng)絡中的具體應用。然后選擇Savonius際的k-ε模型來實現(xiàn)湍流的仿真。FluentGambit繪制網(wǎng)格，在Fluent中建立數(shù)值模型。第二章究的基本理論與方115平方向垂直，多數(shù)情況下隨風向變化而迎風回轉(zhuǎn)，需要根據(jù)來流方向的變化隨時調(diào)2片繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。垂直軸風可以利用來自各個方向的風能，因此沒有必要根據(jù)風的方向調(diào)整位置同時垂直軸風機的結(jié)構(gòu)較簡單建造成本低廉易于但其固有的缺點是比起水平軸式風機，垂直軸式風機的風能利用率較低。2.1Fig.2.1Definitionofliftanddrag在葉片上下翼面的壓力差。阻力被定義為向和來流同向的作用力，其產(chǎn)生的的作用，升力越大，其可提升的質(zhì)量就越大。Hansen升力和阻力的比值應當最CLCD定義如下。CCLCCD

12V12V012V0

（2-（2-其中，ρ為空氣密度，c2-12-2中升力和阻力N/mDarrieus型風機為代表，主要利用葉片上下翼的壓力差來帶動風機葉片的轉(zhuǎn)動。阻力型風機以Savonius型風力機為代表。100kW小型風機的額定功率范圍為1-100kW，與大型風機相比在額定功率和結(jié)構(gòu)大小上存本文研究的Savonius風能可以看做氣流的動能[46]，把風看做有質(zhì)量的物體，那么它的動E12

（2-m為氣體的質(zhì)量；v如果單位時間內(nèi)氣流流過截面積為S的氣體的體積為V，那VρV

（2-mV （2-

E1SV2

（2-這就是風能的表達式。在國際單位制中，ρ的單位是kg/m3；V的單位是m3的單位是m/s；E的單位是W[47]

12V12VP

（2-P表示了風力機在來風作用下，通過葉片轉(zhuǎn)動而獲得的實際軸功率，其單W；ρkg/m3；Sm2v指的是上游風速，其單位為m/s。λ是一個重要的特性指數(shù)。其定義為，為了表示風機葉片的運動狀態(tài)價，稱為葉尖速比??=2π????=???? nr/s；ωR是風機轉(zhuǎn)子的半徑，單位為m；v是上游風速，單位為m/s在給定風機槳距的情況下，風機的風能利用系數(shù)CP和葉尖速比λ存在一個相對應關(guān)系，具體如圖2.2所示。在一定的λ取值范圍內(nèi)，風能利用系數(shù)隨著λ的上升而上升，二者呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。當λ超過一個臨界值的時候，風能利用系數(shù)則隨著λλ也就是最優(yōu)的葉尖速比。2.2CP-λFig.2.2CP-λcurveofwind德國的貝茲（Betz）1926年最先建立了風力機的空氣動力學理論[48]速v2為離風機遠處的下游風速S1，風機所獲得的機械能由空氣的動能補S2S1。2.3Fig.2.3FlowchartofwindS1v1S

（2-風機上的氣流作用力可由定理得FSv(v1v2

（2-

PFvSv2(v1v2

（2- ESv(v2v2

（2-P=ΔE

v1(vv

（2- F1Sv(v2v2

（2- P1Sv(v2v2)(vv

（2-

811

（2-PmaxS大值 160.593P CP<0.593。電的系統(tǒng)中，普遍采用的是一種最大功率點追蹤（MPPT）[49]控制策略。其控制的吸收風能。當前，一般采用三種方法來進行MPPT，分別為：葉尖速比控、爬山CFDFluent、OpenFOAMCFD計算流體力學（computationalfluiddynamics，以下簡稱CFD）是一種研究流體組將離散點的物理參數(shù)進行整合和約束。CFD數(shù)值計算模擬中所采用的方程組通常計算機對空間流場進行圖像化處理。因此，CFD方法是風機設計過程中的一個重要濟可行性。因此，CFD作為一種計算研究方法可以很好的和模型試驗形成互補。FluentCFD計算。但不可忽視的是，CFD計算復雜，而自編軟件又會根據(jù)所實現(xiàn)場景以及應用平臺的不同而出現(xiàn)互不兼容、或缺少功能的問題；同時，CFD的特性更偏向于系統(tǒng)CADCFD軟件的兼容，使使用者可中，F(xiàn)LUENT軟件是由ANSYS公司于1983年推出的計算流體力學軟件，繼PFOENICS軟件之后FLUENT決工程問題中得到了廣泛的使用。本文的計算都是基于FLUENT軟件進行的。FLUENT相較于傳統(tǒng)的CFDFluent軟件包括如下子模塊：Gambit、Fluent、Fidap、Polyflow、Mixsim以及格的求解器，F(xiàn)idap為基于有限元方法的求解器，Polyflow器，Mixsim為針對攪拌混合問題的計算軟件，Icepak為針對熱控分析的計算軟件。GambitFluentGambitFluentFluent對i(u)i

（2- （其中uixi為坐標分量(u)

(uu)p

[(uiuj2

uk

（2- i 3ij （p為動力粘性系數(shù)）(E)

[ui(Ep)]

(K

uiij

（2- （其中

(uiuj2

ij N-S方程出發(fā)的直接數(shù)據(jù)模擬、需要借助湍流模型求解的雷諾平均直接數(shù)值模不可壓縮流體運動的控制方程是-方程，簡稱N-S方程，它在 1 iuji i

ui

xj

（2-（2-初始條件為 u(x,0)V （2- 邊界條件為

U(x,t),p(x)

（2-i N-S方程。不同的是，層流的雷諾時出現(xiàn)N-S方程的分岔解；高雷諾數(shù)的湍流下，則出現(xiàn)N-S方程的漸近不規(guī)則解。N-S方程出發(fā)，直接對所有尺度的湍流進行求解，不需要建立RANSN-S方程做系統(tǒng)平均，把各個物理量分 uv ff(x,t)f(x,tfx, uv f

u1p

（2-ij i jj jij i jj

x i （2-ii系統(tǒng)平均后的N-S方程整理后為：u

u 1p

2u

uu u

v x

i

（2- u iuiiN-S方程減去雷諾平均方程，可得脈動運動的控制

u

1

i

iu i

v iijjijj

（2-jjj jjj

j

x i ii （iiN-Su'u力，稱之為雷諾應力，為方便起見，將雷諾應力表示為ij而不同情況場的幾何邊界是千差萬別的，因此，不可能將脈動解用一個解析式來表達。因而不存在能夠滿足所有湍流運動的計算模型。范圍。一種和試驗結(jié)果吻合較好的流動模型可能并不會很好的滿足其他的流動，存[21]：量函數(shù)的可表性原則；關(guān)于參照系統(tǒng)的不變性原則；真實性原則；Lumlyu'u'(uiuj)2(kui

（2-i

其中，為渦粘系數(shù)，u為時間平均的速度，k為湍動能方程模型（SA模型）和兩方程模型（k模型。SA模型通過對一個中間變量進行求解進而通過求解的輸運方程為（2-渦粘系數(shù)與變量的關(guān)系為（2-X

1XX

3

fv2

1

，f wg6wgr

(r6r)，r ，S|S| f2

w

S2d

2cb10.1355,2/3,cb20.622,

（2- （2-kk模型k2ktC

（2-

(i)(i(i)(i

（2-k和

(k)(kui)

[(t)k]

（2- ()(u)

（2-kt C kt C

k1.0,1.2,C2C1

(2E?(2E?E) E1(uiuj 2 C

AAU*k/ 1cos1(6W),WEijEjkij (EEijU*

,'2,

''

（2-EijEijij EijEijij''ij是時均轉(zhuǎn)動速率量，在沒有旋轉(zhuǎn)的流場中，''ij的值為零，這一項表示轉(zhuǎn)對模型的影響。事實證明，有很多種流場都已用Realizablek模型有效模擬，k模型都對充分發(fā)展的湍流模擬具有適用性，也就是適用于高雷諾數(shù)下的流大渦模只對小尺度脈動建模。具體實現(xiàn)方法是先把小尺度脈動做空間的過濾，并對小尺度脈動建模來封閉大尺度運動方程，根據(jù)控制方程模擬大尺度運動。湍流的三種基本模擬方法各有其優(yōu)缺點。其中，S中當屬最高，能夠較為準確地得到流場的瞬間信息以及脈動信息；但是它帶來的計S需計算量最??；缺點是只能得到平均值，無法得到準確的脈動信息，有一定的局限LESS很大的計算量，其中邊界層內(nèi)的網(wǎng)格就占了很大部分。本文關(guān)注的是風機葉片對轉(zhuǎn)S方法。限差分法的內(nèi)容和操作方法。由于它可方便地利用多種類型的網(wǎng)格（結(jié)構(gòu)網(wǎng)格乘方格式等，還有高階的迎風格式和QUICK格式等。低階格式的計算效率一般比較SIMPLE、SIMPLER、SIMPLECPISO算法等，其中后三種是在SIMPLE算法的基礎上改進得到的。SIMPLE算法是指“求解壓力耦合方程組的半隱式方法”SIMPLE算法。果湍流場是統(tǒng)計定常的，得到湍流脈動量的時間序列就能得到脈動信息。采用計算機來數(shù)據(jù)湍流脈動的需要滿足以下要求測量的精度和采樣頻率Df2fn2nf[53]。常見的速度測量方法有熱絲風速計法、激光法和粒子圖像測速法（PIV）（SP量依然是個很的技術(shù)。另一方面，可以通過PIV測速法所得到的速度數(shù)據(jù)代U分為時均速度和瞬時脈動速度，UU （2-(UiU2??(UiU2uv(VVi(VVi(WWiuv(UiU)(ViVuw(UiU)(WiW湍動能k

vw(ViV)(WiW

（2-k1(u2v2w2)

（2-在圓柱坐標系中，三個速度分量為UX、Ur和U，雷諾正應力為u2、u2、和u2雷諾偏應力為uxur、uxuθ和uruθ。計 如下

Ur0 sinV

（2-U0 cosW u2

cos2

sin2

2sin

u2

（2-u2

2sin

v2uu

sin sin cos2sin2w2r

uu

cosuxuruv（uxuruv（2-(P(Pi

PP

（2-p'

（2-本章介紹了研究涉及的基本理論與應用的基本方法。2.1-2.3小節(jié)介紹了風機的Savonius型風力機屬于小型垂直軸式風力機。在計算通過利用系數(shù)Cp來衡量，其他重要的系數(shù)還有葉尖速比λ、力矩系數(shù)Cm等。德國的貝茲2.4-2.8CFD方法及其在風機研究上面的應用，還介紹了空氣的基本方來研究流體力學，其可信性由實際試驗來確定。Fluent是一種應用CFD方法進行研Savonius型風力機的具體特點，結(jié)合實際情況，選用了雷諾平均值模擬方法中的k模型、有限體積法、SIMPLE方法。第三章Savonius機模型建文的理論基礎之上，本文采用Gambit軟件進行仿真的前處理，進行實體的Fluent軟件，定義求解器并進行求解。在創(chuàng)立模型的本文研究的風機尺寸如圖3.1所示風機的尺寸與文獻[28]保持一致葉片180度的半圓形構(gòu)成，兩個葉片中間的間距為，半圓的直徑為dh。主要的幾個葉型參數(shù)如下葉片圓弧直徑d為.5m，葉片/d=0.1，葉片高度h1m面化。3.1SavoniusFigue3.1ConfigurationofSavoniusGambit3.2Vw表示來流速度，θ表示葉3.2GambitFigure3.2Configurationof2Dbladesin量的前提下，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格會得到更好的計算速度和計算精度，被的選用在了工interface來進行能量交換。三種3.3所示。 Structuredmesh-

（b）Structuredmesh-（c）mixed3.3Figure3.3Comparisonofstructuredmeshesandmixed的網(wǎng)格的中間設置interface進行銜接和過度。inletoutlet（symmetry距離10m，這種計算域范圍很大，葉片兩側(cè)各自預留了10倍的葉片直徑，能夠更好的表達周圍流場，但同時也需要的計算空間。通過比較計算所得的云圖來選定（a）(a)Calculationarea

（b）（b）Calculationarea3.4計算域大小比較——Figure3.4Comparisonofcalculationareasthroughcontourof（文基礎上，在FLUENT軟件中簡歷風機的數(shù)值模型。其中涉及到風機建模的計算機仿真過程中采用雷諾平均化N-S方程(u)x(uu)p(uiu

u') i

（3-（123up為流體壓力；ρ為流體密度；μ為流體動力粘度；S為源。湍流模型采用標準k-ε模型：(k)(kuj)tk

x

x j

k j （3-

ui C t 1GkC2

xj

xj

（3-GkC1e=1.44，C2e=1.92FLUENT未知的運動，其運動的形式?jīng)Q定于當前解。FLUENT在每個時間間隔，則會參考邊Fluent中，在每一步計算之交界面在靜網(wǎng)格和格之間并進行迭代，同時格按照制定的方式運動。n-LucMenet等人的研究表明，應用格和靜態(tài)網(wǎng)格對Savonius風機進行計算所得到的結(jié)果差異如圖3.5所示表明兩者之間的差異不明顯[55]，不超過3.5Fig3.5.Momentcoefficientsofstaticanddynamic基于前文的理論依據(jù)選用Realizablek-ε壁面選擇增強（EnhancedWallFn3.6所示。3.6FluentFigure3.6Viscousmodelsettingin流體設置為空氣，密度1.225kg/m3，粘度1.7894*10-5kg/ms。邊界條件設置[56]按照上文所說。此處在左側(cè)速度（14m/s）進行更進一步的參數(shù)討論。k與ε的設湍流強度計算I0.16*

（3-式中：I是湍流強度，Re是雷諾數(shù)；lLI

（3-k3/2*

*I

（3-u是平均速度，Iεklk3/k 3/C ????0.09

（3-k0.44，ε0.68由于采用混合網(wǎng)格，需要設置interface。Interface為內(nèi)外相交的圓形區(qū)域。在兩個面內(nèi)分別選中圓形線，設置為interface。3.7所示，選擇SIMPLE3.7FluentFigure3.7Solversettingin求解控制條件采用默認。收斂條件為三個方向的速度以及k、ε等關(guān)鍵參數(shù)都達到10-6。此外，在監(jiān)視器中添加力矩系數(shù)Cm，以便葉片對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的力矩是否Fluent開始計算后不斷進行迭代，直至計算結(jié)果滿足事先設置的計算精度3.8CFDFigure3.8ProcessesofCFD計算力矩時，都沿用上文選定的模型參數(shù)，入射角度θ45度，應用Fluent作為流口，Vw=14m/s，時間屬性為定常流動各種算例下以上條件保持一致仿真計算10-6，結(jié)果如下表所示。3.1Table4.1Meshindependent靜態(tài)力矩123210.1%2度的要求是可以選用的方算例1與算例2相比二者計算結(jié)果差異僅為0.1%，312的結(jié)30.7%21.7104盡可能減小計算量。Y+Y+取值應0-505設為0.05mm、1mm以及2mm。所得結(jié)果如表4.2所示，可以看出算例1以及算例3的y+2得出的y+值則符合理論語氣，因此最后選定首1mm5。3.2Table4.2Boundary150-250-350-FluentGambit軟件建立Gambit端則選擇四邊形網(wǎng)格，在兩者之間設置interface；根據(jù)對物理現(xiàn)象的還原選擇適當?shù)挠嬎阌虼笮?，選定了20m*40m的計算域，并合理定義四邊形計算域的四個邊界條件分別為速度、壓力出口以及兩運用Fluent軟件建立仿真模型，根據(jù)流體的基礎知識結(jié)合本文算例選擇并1.7*104；1mm5層。第四章Savonius風機模型驗證及比本文研究的風機葉片在本質(zhì)上是一個三維的問題因為其形狀簡單文的計算中都運用了二維的仿真模型，對模型進行了一定程度上面的簡化。人的研究Savonius1m20m*40m*1m4.1所示。4.1Figure4.1Configurationof3D1.04*106。Fluent中的設置沿用前文的選擇選擇基于壓力的求解（Prur-bdolver，時間屬性設置為定常流動（Stedy，速度屬性為絕對速度?；谇拔牡睦碚撘罁?jù)，選用liblek-ε模型，壁面選擇增強型（EnhndllFn。流體設置為空氣，空氣的各項參數(shù)選擇與默認相同。在邊界條件的設定中，首先將intrfe作為兩種網(wǎng)格交界處的圓環(huán)面的定義，其次將壁面作為葉片的定義。六個面的定義方式分為別為左側(cè)定義為速度 （locityinlt右側(cè)出口定義為壓力出（rureoutlt，葉片被對稱隔開的面定義為對稱面（symmtry，其他前后兩個面以及上表面定義為壁（ll求解器的設置與二維的情況相同選擇SIPLE以及二階方程在監(jiān)視其中依舊增加力矩系數(shù)m以便直觀的看出力矩何時達到收斂同時因為對三維模型不能要求與二維模型達到完全相同的精度，所以在三維模型的殘差選擇10-4，對三個方向的速度以及k和ε都進行同等的設置。RobertE.Sheldahl等人對此風機進行了風洞試驗[28]本文選取風洞的靜態(tài)試驗作為參照對象。Robert的靜態(tài)試驗的具體方法是，把風機10度變動一次，通過葉片與來流方向相對角度的變化來模擬不同的來流方向以及葉片轉(zhuǎn)動到不同位置時的風機表現(xiàn)。風洞試驗測量了θ在特定位本文數(shù)值模型的校正基礎。葉片轉(zhuǎn)動以180°為一個周期，從風動試驗和本文的數(shù)值計算結(jié)果可以看出，葉片在15°到105°之間輸出力矩較大[57]，而在其余范圍內(nèi)輸出及k和ε的殘差都能夠降低到10-6以下，Cm在此也達到穩(wěn)定值。對于三維模型，通常在200-300步時實現(xiàn)了收斂，速度、連續(xù)性以及kε的殘差都能夠降低到10-4以4.24.2Figure4.2Comparisonofstatictorquethrough2Dand3D吻合，且誤差都在10%4.3（a） （b）4.3Figure4.3Comparisonofvelocitycontourof2Dand3D14m/sθ25°的位置23-24m/s之間，均出現(xiàn)在迎風葉片的頂端以及背風葉Savonius型風機是兩葉片標準式的演變，由三個半圓形葉片構(gòu)成，每兩2010度，在本研究 4.4SavoniusFigure4.4Configurationof3-bladeSavonius網(wǎng)格的方式。在靠近葉片的區(qū)域內(nèi)選擇三角形網(wǎng)格進行堆疊；在葉片的遠端選擇四邊形網(wǎng)格以intrfe之前所得的結(jié)論來調(diào)整網(wǎng)格的大小與密度。計算域還是沿用研究中所確定的20m*40m1mmmbit作圖2.1*104個網(wǎng)格。4.5SavoniusFigure4.5Meshof3-bladeSavoniusFluent參數(shù)設置與兩葉片的二維模型保持一致。選擇基于壓力的求解器solver（SteadyFninletoutlet（Symmetry4.6所示。4.6SavoniusFigure4.6Velocitycontourof3-bladeSavoniusrotor10-6以4.7Figure4.7Validationof3-blade2D4.24.7180o為125-185o范圍時，靜態(tài)50o120o為一個循環(huán)，具有兩葉片轉(zhuǎn)子的靜態(tài)力矩的最大幅值是三葉片1.75105o，225o345o然后在15o235o345o力的區(qū)域的減小。然而，三葉片轉(zhuǎn)子的靜態(tài)力矩在其旋轉(zhuǎn)的過程中，始終保持為正數(shù)。為了確保轉(zhuǎn)子能夠在任何初始角度下啟動，作用在轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)力矩必須超過4.27m/s14m/s36Nm，而7m/s9Nm，兩者相差四倍。三葉片風機在14m/s24Nm7m/s14m/s7m/s全年風力分布中的較大，應當優(yōu)先考慮兩葉片風機以在同樣的轉(zhuǎn)動時間內(nèi)獲得更大的風能利用率。如果低俗風在全年風力分布中的時間較多，則應選擇起動相對況中也要考慮儲能設施、是否接入電網(wǎng)、風機的自動控制問題，本文中不做展開。10%以內(nèi)，因此該數(shù)值模型能夠為之后的數(shù)值計算提供較為可靠Svonius風機時，同樣采用數(shù)值仿真的方法。為三葉片20%驗證了三葉片風機仿真模型的可行性。然后比較兩葉片以及三葉片風機的靜態(tài)力矩180120度為一個周期發(fā)生變化。兩葉片風機能夠達到的力矩的最大值大于三葉片風機，但是最小值也太小。從起動力矩的角度來看，三葉片風機比兩葉片風機更容易在任意角度下起動。第五章導流板改進風機風能利盡管對于該型風機的研究已經(jīng)取得了較大的進展，但是Savonius型風機的固有缺點依然存在，Savonius風力機的整體風能利用率較其他風機偏低。因此，需要對該型風機進行進一步的改進，以規(guī)避上述問題。BurcinDedaAltan、KunioIrabu等人[58][59][60]提出了應用導流板來增加風機風能利用率的方法。BurcinDedaAltan等人在38.5%。KunioIrabu等人提出了一種將Savonius風機布置于導風箱內(nèi)的方法。該導風箱開有究結(jié)果表明，導風箱的存在可以使得雙葉片風機的風能轉(zhuǎn)化率提高了1.23倍，三葉的長度用L表示，α用來表示導流板與來流方向的夾角，x則表示導流板距葉片轉(zhuǎn)動5.1Figure5.1Savoniusrotorwith間用interface1mm，5層。5.2Figure5.2MeshofSavoniusrotorwithαLx。Fluent常流動，速度屬性為絕對速度。選用Realizablek-ε模型，壁面選擇增強型（EnhancedFn（Velocityinletoutlet（symmetry以及k、ε等關(guān)鍵參數(shù)都達到10-6。此外，在監(jiān)視器中添加力矩系數(shù)Cm，以便葉Fluent開始計算后不斷進行迭代，直至計的θ5.1所示，5.1Table5.1ExperimentnningofwindturbinesimulationwithαLxαLx2

α對葉片力矩的影響。導流板與來L1m0.025mα30°45°、60°5.3θ35°、45°55°的情況作為對比分析。5.3αFigure5.3Influencesofαonstatic5.360°20%-30%30°10%-20%45°15%-30%αα30為、4560為的情況下，60°時，導流板帶來的效率提升最為明顯。θ=45°5.4所示。與無導流板的情況相比，風機附近最大速度有所降低23.5m/s降低到21.5m/s，迎風葉片出現(xiàn)最大速度的位置基本不變，另一個葉片上出現(xiàn)最大速度的位置則由葉片尖端向內(nèi)靠近?？拷~片地方的最小速α角度的增加，隨風葉片被導流板所遮擋的區(qū)域增加，對5.4θ=45°Figure5.4Velocitycontourwith

Lx=0.025mL0.6m、1.4m5.5LFigure5.5InfluencesofLonstatic圖5.5的數(shù)值計算結(jié)果可以看出，當導流板長度L=0.6m時，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩平均提高25%左右，而當導流板長度L=1.4時，這一數(shù)值可以達到30%-40%。因此可以5.6所示。

5.6θ=45°Figure5.6Velocitycontourwith討論導流板距葉片轉(zhuǎn)動區(qū)域的距離xL=1m，導流板與來流方向的夾角α=60°，x0.025m、0.01m0.04m5.7xFigure5.7Influencesofxonstatic5.7x=0.04m時，θ=35°對比幾種情況發(fā)現(xiàn)對應不同的導流板位置x，葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩均提高了20%-θ=45°5.8所示。兩個速度云圖呈現(xiàn)出來的規(guī)律以及流場x的大小對風機靜態(tài)特性的影響微乎其微。

5.8θ=45°Figure5.8Velocitycontourwith本章旨在探討有效提高Savonius型風力機風機風能利用率的方法。人對導Svoniusα30為、4560為的情況下，60°時，導流板帶來的效率提升最為明顯，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)20%-30%L.6m25%L1.430%-40%x小對風機靜態(tài)特性的影響微乎其微。Savonius型風機風能利用率不高的缺陷。導流板對其他種類的風機葉片第六章束閱讀大量文獻的基礎上，介紹了新能源利用的大背景以及Savonius型風機方法以及如何在風機研究中運用CFD方法進行了原理性的說明。GambitFluent中建立數(shù)值模型。根據(jù)計算精度的要求，象的還原選擇適當?shù)挠嬎阌虼笮?；合理定義四邊形計算域的邊界條件；根據(jù)流10%以內(nèi)，因此該數(shù)值模型能夠為之后的數(shù)值計算提供較為可靠的計算基礎。4）Savonius風機的靜態(tài)力矩特性以5位置情況下葉片周圍的流場分布以及葉片對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的靜態(tài)力矩。分析不同因素對Svonius型風機的60°時力矩提30°45°導流板位置對葉片靜態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩的提升的差異并不明顯。Savonius型風力機的風能利用率改進起到一定的指導作用，但是由于筆者掌握的知識有限，且從事研究工作與撰寫的時間功率系數(shù)Cp與葉尖速比的關(guān)系；Savonius型風力機可以應用在偏遠地區(qū)的海島發(fā)電上，那么可以驗證仿真的風力機能夠得到的機械功率大小，則能夠通過仿真方法來進行Savonius型風力機[1]《2013年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告》課題組20132014年展望[J].國際石油經(jīng)濟,2014,[2],,王海寬,等.我國小型風力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].農(nóng)村牧區(qū)機械化,2008(2):38-39.[3]孚.小型風力發(fā)電行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·新能源產(chǎn)業(yè),2007(1).[4]劉飛,,臧建彬.Savonius風力機的適用性分析[J].制冷空調(diào)與電力機械,2010,31(3):91-93.[5],,杜華夏,等.小型家用垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的設計[J].能源技術(shù),2007,28(5):279-283.［EB/OL．1[7].Darrieus-Savonius組合風輪氣動性能的研究[J].能學報,1992,239-[8]SavoniusSJ.TheS-rotoranditsapplications[J].Mech.Eng,1931,53:333-[9]VanceW.Verticalaxiswindrotors-statusandpotential[J].fromWindEnergyConversionSystems,1973:28-30.MenetJL.Adouble-stepSavoniusrotorforlocalproductionofelectricity:adesignstudy[J].Renewableenergy,2004,29(11):1843-1862.FujisawaN.VelocitymeasurementsandnumericalcalculationsofflowfieldsinandaroundSavoniusrotors[J].Journalofwindengineeringandindustrialaerodynamics,1996,59(1):39-50.STI/ReconTechnicalReportN,1974,75:22669.田,,馮放,等.Savonius風力機力矩特性的數(shù)值計算與風洞試驗研[J].可再生能源2013,31(002):15-,原豐,林農(nóng).Savonius風力機葉片比的風洞實驗研究[J].能學報,2009,30(2):226-231.FernandoM,ModiVJ.AnumericalysisoftheunsteadyflowpastaSavoniuswindturbine[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1989,32(3):303-327.[16]FujisawaN.OnthetorquemechanismofSavoniusrotors[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1992,40(3):277-292.SahaUK,ThotlaS,MaityD.OptimumdesignconfigurationofSavoniusrotorthroughwindtunnelexperiments[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,2008,96(8):1359-1375.MojolaOO.OntheaerodynamicdesignoftheSavoniuswindmillrotor[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1985,21(2):223-231.,仁飄零,.一種新型垂直軸風力機的CFD分析[J].工程熱物理學報,2012,33(1):63-66.,,王東興,等.小型Savonius風機的創(chuàng)新設計與仿真分析[J].能源與節(jié)D’AlessandroV,MonpareS,RicciR,etal.UnsteadyAerodynamicsofaSavoniuswindrotor:anewcomputationalapproachforthesimulationofenergyperformance[J].Energy,2010,35(8):3349-3363.AltanBD,At?lganM,?zdamarA.AnexperimentalstudyonimprovementofaSavoniusrotorperformancewithcurtaining[J].Experimentalthermalandfluidscience,2008,32(8):1673-1678.medMH,JanigaG,PapE,etal.OptimalbladeshapeofamodifiedSavoniusturbineusinganobstacleshieldingthereturningblade[J].EnergyConversionandManagement,2011,52(1):236-242.SargolzaeiJ,KianifarA.ModelingandsimulationofwindturbineSavoniusrotorsusingartificialneuralnetworksforestimationofthepowerratioandtorque[J].SimulationModellingPracticeandTheory,2009,17(7):1290-1298.,原豊,.葉片比對Savonius風力機性能的影響[J].可再生能源,2008,26(3):31-33.,王亞軍,,等.Savonius型風力機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計[J].能源技術(shù),2009(4):215-218.AkwaJV,VielmoHA,PetryAP.AreviewontheperformanceofSavoniuswindturbines[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2012,16(5):3054-3064.[28]VanceW.Verticalaxiswindrotors-statusandpotential[J].fromWindEnergyConversionSystems,1973:28-30.EngineeringandIndustrialAerodynamics,1978,3(4):343-351.UshiyamaI,NagaiH.OptimumdesignconfigurationsandperformanceofSavoniusrotors[J].WindEngineering,1988,12(1):59-75.SheldahlRE,FeltzLV,BlackwellBF.Windtunnelperformancedatafortwo-three-bucketSavoniusrotors[J].JournalofEnergy,1978,2(3):160-ShankarPN.Developmentofverticalaxiswindturbines[J].ProceedingsofthenAcademyofSciencesSectionC:EngineeringSciences,1979,2(1):49-66.NakajimaM,IioS,IkedaT.PerformanceofSavoniusrotorforenvironmentallyHayashiT,LiY,HaraY.Windtunneltestsonadifferentphasethree-stageSavoniusrotor[J].JSMEInternationalJournalSeriesB,2005,48(1):9-16.KamojiMA,KedareSB,PrabhuSV.ExperimentalinvestigationsonsinglestagemodifiedSavoniusrotor[J].AppliedEnergy,2009,86(7):1064-1073.,,周大慶,等.基于數(shù)值模擬Savonius風力機性能優(yōu)化研究[J].能學報,2010,31(7):907-911.,,,等.基于部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋形Sav