张建新硕士论文毕业答辩

1、河海大学硕士学位论文答辩垂直轴风力机仿真与应用研究垂直轴风力机仿真与应用研究学号：学号：1031001050姓名：张建新姓名：张建新专业：工程力学专业：工程力学导师：蔡新导师：蔡新河海大学硕士毕业论文答辩河海大学硕士毕业论文答辩章节第一章 绪论第二章 垂直轴风力机工作原理与CFD方法第三章 垂直轴风力机静态启动性能分析第四章 垂直轴风力机动态性能分析与发电机配置第五章 垂直轴风力机尾流特性研究第六章 总结和展望第一章第一章 绪论绪论1.1 小型风力机的研究背景与意义小型风力机的研究背景与意义 由于全球能源紧缺与环境危机的影响，人类迫切需要一种可再生能源，风能具有有资源丰富、环保等特点，因此成为

2、21世纪比较有前景的新能源。 小型风力机在离网式发电系统中具有良好的应用，可为海岛、边远山区等电网很难覆盖到的地区提供电能。小型风力机属于一次性投资设备，后期费用比较低。低于电网延伸的供电方法和利用汽油/柴油发电机发电的供电成本。所以小型风力机对于边远地区用电问题的解决有很大的切实意义。1.2 风力机的概述风力机的概述1.2.1 风力机的分类风力机的分类 风力机分为水平轴风力机与垂直轴风力机图1-1 水平轴风力机 （a） （b） （c）图1-2 a为阻力型风力机、b为型风力机、c为H型风力机 1.2.2 垂直轴风力机的优点垂直轴风力机的优点（1） 工作风速低，风能利用率高 不需要调整方向捕捉风

3、能，能充分利用低风速区风能。（2） 垂直轴风力机成本低 叶片材料和塔架等材料要求不高，造价低。（3） 垂直轴风力机叶片使用寿命长 相比水平轴，垂直轴叶片疲劳损伤小。（4） 安装与维护保养比较方便 发电机组在底部，安装维护费用小。（5） 环境效益好 尖速比小，噪音低，对鸟类的危害也小。 1.3 1.3 目前尚存在的问题目前尚存在的问题(1)垂直轴风力机的启动性能研究 为了更有效利用低风速区的风能，垂直轴风力机的启动性能研究尤为重要，而目前国内外对于垂直轴风力机启动性能的研究较少。(2) 垂直轴风力机关键参数的影响与发电机配置 对于垂直轴发电机的研究，需要研究弦长、安装角等关键参数对于其相关性能的

4、影响，同时为了最大限度利用各风速下垂直轴风力机功率输出，需要研究发电机特性，然后将风力机与发电机的特性做对比研究。(3) 风场中的垂直轴风力机尾流效应研究 目前国内外对于水平轴风力机尾流效应的研究比较完善，但对于垂直轴风力机尾流的影响研究较少，随着大功率输出垂直轴风力机越来越多出现，对垂直轴风力机尾流效应的研究越来越重要。第二章 垂直轴风力机工作原理与CFD方法2.1 垂直轴风力机气动原理垂直轴风力机气动原理2.1.1 翼型基本知识介绍翼型基本知识介绍 翼型的定义为与叶片长度方向相垂直的横断面形状，如下图所示：tfc中弧线弦线前缘后缘yx图2-1 翼型的几何参数 在无穷远来流V作用下，翼型会产

5、生合力FR，FR可分解为垂直与来流方向的升力FL与平行于来流的阻力FD。FLFDVFR图2-2 翼型升阻力与功角示意图 2.1.2 垂直轴风力机工作原理与结构参数垂直轴风力机工作原理与结构参数 来流风速 V 与叶片切向相对风速Vt合成W,叶片会受到垂直与W的升力与平行于W的阻力。在任何位置上，合力均驱动风力机旋转，做正功。在一个周期内，功角一直处于变化状态，因此垂直轴风力机输出转矩呈现周期性变化。风 WFVaVtVaVtVtVa W WFFcR 图2-3 垂直轴风力机原理图图2-4 垂直轴风力机结构参数图 2.1.3 垂直轴风力机的工作参数垂直轴风力机的工作参数 风能的计算 扫风面积可由此式推

6、出 尖速比 风能利用系数 312ESv312NPNPCSV260rrnvv33=212PPCSvSvM 2.2 计算流体力学计算流体力学CFD技术技术 2.2.1 CFD的发展历程与的发展历程与CFX软件介绍软件介绍 CFD（计算流体力学）技术发展始于上世纪60年代开始发展，最初被用来从事科研。从上世纪80年代开始，CFD技术开始商业化。 CFX软件是英国AEA Technology公司开发的，在复杂几何、网格、求解等技术瓶颈都取得了比较大的突破。目前在航空航天、旋转机械、多相反映、混合流、机械制造、生物医学等众多领域，CFX都得到了广泛的应用。2.2.2 湍流模型湍流模型 流体微团做不规则随

7、机脉动的流体运动为湍流。 应用最多的湍流模型分类如下。 1.简单湍流的直接数值模拟（DNS） 2.复杂湍流的数值模拟雷诺统计模式(RANS) 本文采用的SST -模型能够很好地处理剪切应力效应。可以很好地处理边界层流动。 3.复杂湍流的大涡数值模拟（LES）2.2.3 移动网格技术移动网格技术 对于风力机研究，一般将整个流场分为静止区域和旋转区域，旋转区域即为包括风力机在内的中心流场，静止区域即外围流场，之间的交界面用移动网格技术处理。本文中风力机是转动的，所以在模型中移动边界为圆柱形状。 第三章 垂直轴风力机静态启动性能分析3.1 静态启动性能仿真计算模型静态启动性能仿真计算模型 本章模型采

8、用课题组专利模型，在CFD前处理中忽略风力机中支撑杆的气动阻力作用，考虑叶片尾部和转轴对风力机整体气动性能的影响，简化后模型如图所示：风力机叶片采用的叶片翼型为DU91_W_250。风力机三维模型由UG NX绘制而成，并导入有限元前处理软件ICEM中进行进一步网格划分。 图3-2 简化后风力机 图3-1 垂直轴风力机基本结构 运用ICEM CFD软件 “分块”并采用六面体单元进行网格划分。为了体现边界层粘性流动特征，对附面层网格进行了加密处理，选取的第一层网格的厚度大约为0.2 mm，叶片截面周边四边形网格如下图。整个计算域网格节点数约124万个。图3-3 计算域网格划分 图3-4 叶片周边网

9、格划分 3.2 计算方法计算方法研究启动转矩，叶片被设定为静止状态下入流风速对其转矩的影响。该风力机有四个叶片，计算工况为在一个转动周期内，每个叶片在90圆周角内每隔10的气动转矩计算，计算工况如表3-2所示： 图3-5为10入流角下流场风速分布图。1号叶片的静止状态下牵引力最大，为48.30N；3号叶片牵引力最小，为4.24N，3号叶片牵引力最小，为4.24N；2号和4号叶片牵引力分别为7.57、7.56N。迎风叶片背后存在较强的湍流区，处于湍流区的叶片不能发挥最佳气动特性。图3-5 流场风速分布图图3-6(a)为叶片尾流结构分布，由图可见上游迎风叶片叶尖处有漩涡生成并向叶片中部转移。漩涡在

10、中部膨胀，与下游叶片交织在一起。尾流结构改变了下游叶片迎风角和迎风速度等特性。该特性变化可由图3-6(b)叶片周围流线分布看出，图中叶片梢部和主轴的存在都影响气流流线的变化。因此包含全尺寸叶片的三维CFD计算必将成为垂直轴风力机叶片气动设计与校核的有效手段。 (a)正视图 (b)俯视图 图3-6 叶片周边流线分布3.3计算结果分析计算结果分析 图3-7为风力机在不同入流角下静转矩变化曲线，当入流角为30左右时风力机启动转矩最大为142.98Nm。即每个叶片都不处于上游叶片尾流区内时，风力机可产生最大的启动转矩。同时，在第4部分各个参数影响性能分析中，将各个设计方案中各个叶片都设置在类似方位角下

11、进行气动计算，进而进行综合评价。0204060806080100120140启动转矩（Nm）启动转矩（Nm）入流角（）入流角（）图3-7 叶片启动转矩与入流角关系3.4 叶片启动性能影响参数分析叶片启动性能影响参数分析结合CFD计算结果，调整叶片安装半径、弦长、安装角度和叶片数四个垂直轴风力机设计关键参数，研究对风力机启动性能的影响。2468101214050100150200250启动转矩（Nm）启动转矩（Nm）风速（m/s）风速（m/s） 1m 1.2m 1.35m 1.50m 1.65m 1.80m 1.90m风力机的静态启动转矩随着叶片安装半径的增加而增加，即叶片安装半径越大，自启动性

12、能越好。3.4.1 不同叶片安装半径下的启动性能分析不同叶片安装半径下的启动性能分析 3.4.2 不同叶片弦长下的启动性能分析不同叶片弦长下的启动性能分析2468101214020406080100120140160180启动启动转转矩（Nm）矩（Nm）启动力矩（Nm）启动力矩（Nm） 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m 0.6m静态启动转矩随着叶片弦长的增加而增加，叶片弦长从0.1增加至0.4 m时，启动转矩增加较快，大于0.4m时，转矩随叶片弦长增加而增加的幅度明显减小。3.4.3 不同叶片安装角下的风力机启动不同叶片安装角下的风力机启动性能分析性能分析24681012140

13、20406080100120140160180启动启动转转矩（Nm）矩（Nm）风速（m/s）风速（m/s） 1 2 3 4 5 6 7 8 93.4.4 不同叶片数下的风力机启动性能分析不同叶片数下的风力机启动性能分析2468101214020406080100120140160180启动转矩（Nm）启动转矩（Nm）风速（m/s）风速（m/s） 2 345 安装角度对垂直轴风力机启动性能的影响比较小，安装角从1增加至8时，启动转矩增加，当安装角达到9时，启动转矩减小。 叶片数越多，风力机的最大启动转矩越大，自启动性能越好。第四章第四章 垂直轴风力机动态性能分析与发电机配置垂直轴风力机动态性能分

14、析与发电机配置4.1 动态工作性能仿真计算模型动态工作性能仿真计算模型 图4-1 3.5kw垂直轴风力机 本章节计算模型取自麦克马斯特大学3.5kw垂直轴风力机，在ICEM中瞬态网格处理如下： (a)风力机流场区域 (b)旋转域网格效果图4-2 垂直轴风力机ICEM CFD网格划分4.2瞬态计算的处理方法 在本章的计算中，设定风力机每一步转动5度。对于旋转计算域的运动通过给定角速度的方式来定义的，给定风力机转动角速度后，通过转动角速度可以算得风力机转动5度所需的时间：36t001tTtttMM dtT风能利用率表示如下：*32212ttttPwwwMMMPCPP QSvv S v 功率计算公式

15、图4-3 垂直轴风力机转矩输出值-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.0050100150200250300350模拟模拟转矩（Nm）转矩（Nm）模拟时间（s）模拟时间（s）1.01.82.00.000.000.250.30风能利用率风能利用率尖速比尖速比 试验数据 CFD计算值图4-4 CFD计算值与试验对比图 CFD计算值与试验结果在叶尖速比为1.0和1.6范围吻合良好，风能利用率变化规律大致相同，且最大风能利用率都发生在叶尖速比为1.6左右。由上述计算结果，本文数值模拟方法合理。=0=40=60=80=10

16、0=20图4-5 叶轮中部截面速度场分布图 由左图可以看出：每只叶片前缘处相对风速最大，且叶片在上游区域时，叶片翼型周围流场流速较之于下游叶片流速较大。同时，上游叶片在运转过程中会产生旋转域内的尾流。近场尾流随风速向下游移动，与下游运行叶片交汇，影响其气动力特性。图中，塔杆也影响叶轮旋转域内的流场分布。=0=40=60=80=100=20图4-6 叶轮的涡强随方位角分布图 由左图可以看出：叶片尖部拖曳的涡强最明显，叶片中部的涡强分布较弱，且基本一致。因此叶片尖部的输出功率最小，可对垂直轴风力机叶尖形状进行进一步的气动修正，提升功率输出，减少不良气动载荷的产生。 4.3 风力机动态输出性能影响参

17、数分析风力机动态输出性能影响参数分析4.3.1 不同叶片安装半径下的风力机动态输出性能分析不同叶片安装半径下的风力机动态输出性能分析 安装半径小的风力机需要较大的转速才能达到最大功率和转矩输出，安装半径大的风力机在相对低转速下达到较好的工作状态。4060801001201401601800200400600800100012001400输出功率（输出功率（W）转速（r/min）转速（r/min） 0.90m 1.00m 1.10m 1.25m 1.40m 1.55m 1.70m406080100120140160180102030405060708090100110120130140输出输出转

18、转矩（Nm）矩（Nm）转速（r/min）转速（r/min） 0.90m 1.00m 1.10m 1.25m 1.40m 1.55m 1.70m1.01.82.00.000.000.250.30风能利用率风能利用率尖速比尖速比 0.90m 1.00m 1.10m 1.25m 1.40m 1.55m 1.70m4.3.2 不同叶片弦长下的风力机动态输出性能分析不同叶片弦长下的风力机动态输出性能分析 叶片弦长对于最大功率输出大小的影响较小，弦长的选择影响最大输出功率相对应的转速，还影响着取得最大风能利用率相对应的尖速比。若

19、发电机运行需要较大的转矩，则选择较长的弦长；若发电机对于转速要求较高，则选择短的弦长。406080100120140160180200220240200400600800100012001400输出功率（输出功率（W）转速（r/min）转速（r/min） 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m 0.6m406080100120140160180200220240102030405060708090100110120130140输出输出转矩（Nm）转矩（Nm）转速（r/min）转速（r/min） 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m 0.6m1.01.21

20、.2.83.03.20.000.250.30风能利用率风能利用率尖速比尖速比 0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m 0.6m4.3.3 不同叶片安装角下的风力机动态输出性能分析不同叶片安装角下的风力机动态输出性能分析 三种类型曲线变化趋势基本一致，安装角对气动性能的影响不是太大。安装角度为5度时，其气动性能最佳。因此设计垂直轴风力机时，应该选取5的安装角。406080100120140160180200220100200300400500600700800900100011001200130014001500输出功率（输

21、出功率（W）转速（r/min）转速（r/min） 0 2 4 5 6 74060801001201401601802002200102030405060708090100110120输出输出转矩（Nm）转矩（Nm）转速（r/min）转速（r/min） 0 2 4 5 6 1.82.02.80.020.040.060.0060.280.300.32风能利用率风能利用率尖速比尖速比 0 2 4 5 6 74.3.4 不同叶片数下的风力机动态输出性能分析不同叶片数下的风力机动

22、态输出性能分析 风力机叶片数为2枚时，虽然可以达到很高的风能利用率，但是其输出转矩比较低，且要达到很高的尖速比才能获得很高风能利用率，高尖速比时工作噪音较大，且振动也会增大。叶片数选择5枚时，输出功率和风能利用率较低。所以垂直轴风力机一般选择3-4枚叶片。60801001201401601802004006008001000120014001600输出功率（输出功率（W）转速（r/min）转速（r/min） 2枚 3枚 4枚 5枚60801001201401601800102030405060708090100110120130输出输出转矩（Nm）转矩（Nm）转速（r/min）转速（r/min

23、） 2枚 3枚 4枚 5枚1.82.000.250.300.35风能利用率风能利用率尖速比尖速比 2枚 3枚 4枚 5枚4.4 不同风速下风力机输出性能研究与发电机配置不同风速下风力机输出性能研究与发电机配置 4.4.1 发电机的功率输出与调节发电机的功率输出与调节电流（I）电压（V）发电机输出特征最大输出功率曲线n6n1n2n3n4n5转速n（r/min）功率P（W）图4-19 发电机输出特征曲线 每一个工作转速下均有一个最大功率输出点，连接这些点，可获得最大功率输出曲线，该曲线又可如图4-20所示。 图4-20

24、最大输出功率随转速变化曲线 发电机运行所需的驱动转矩与转速的关系为：230()=culshinPPPMnP2：发电机输出功率Psh与Pcul分别为发电机机械损耗与电流流通损耗 可以看出当风速一定时，发电机运行所需的驱动转矩可以通过调节负载来改变 。2()=culshinmR PPPMV4.4.2 风力机额定风速和发电机额定功风力机额定风速和发电机额定功率特性的选择率特性的选择 312p iEv C t风能（KWh/m ）2风速（m/s）MVN 图中能量输出最大值M点所对应的风速设为额定风速，这样就可以最大限度利用该地区的风能资源。 风力机扫掠面在一年时间内某风速下每平米的输出能量E：该风速下发

25、电机的最大功率即为额定功率PN :312NpNPCSV本章计算风速取值范围4m/s至12 m/s 取风力机模型的几何参数如表4-1所示:图为不同来流风速下，功率输出与转矩输出随转速变化的曲线。由图中可以得出：1.来流风速越大，在任一转速下，输出功率和转矩输出均与风速成正比例关系。2.因为风能E的表达式为 ，即风能与速度的三次方成正比例关系，所以随着风速的增加，最大输出功率增加迅速。312ESv4.4.3 不同来流风速下风力机功率输出性能分析204060801001201401600200400600800100012001400160018002000220024002600输出功率（输出功率

26、（W）转速（r/min）转速（r/min） 4m/s 6m/s 8m/s 10m/s 12m/s20406080100120140160102030405060708090100110120130140150160170180190输出输出转矩（Nm）转矩（Nm）转速（r/min）转速（r/min） 4m/s 6m/s 8m/s 10m/s 12m/s4.4.4 与风力机相适应的发电机性能选配分析 连接不同风速下风力机最佳工作点即曲线的最高点，可以得到风力机最佳功率输出随转速变化曲线 如果发电机运行所需功率图与左图曲线有较大偏差，即出现发电机的过载与欠载 4060801001201400500

27、10001500200025003000发电机运行所需功率发电机运行所需功率（W）（W）转速转速r/minr/min 发电机欠载 发电机过载 风轮最佳输出功率过载时，引起风力机转速的继续增加，将会导致发电机的过载，甚至损毁； 欠载时，风力机不能带动发电机正常运转，会出现失速或者停转。40608010012014005001000150020002500最佳输出功率最佳输出功率（W）（W）转速转速r/minr/min 最佳输出功率 4.4.5 发电机正常工作时的负载调节发电机正常工作时的负载调节 发电机运行所需的驱动转矩可以通过调节负载来改变，若转速过快，则增加负载，增加发电机运行所需的驱动转矩

28、，速度减慢；若转速过慢，则减小负载，减小发电机运行所需的驱动转矩。增加转速 468101205001000150020002500 最佳输出功率 最佳转速风速风速(m/s)最佳输出功率最佳输出功率(W)406080100120140最佳转速最佳转速(r/min)230()=culshinPPPMn第五章第五章 垂直轴风力机尾流特性研究垂直轴风力机尾流特性研究5.1 尾流的形成机理尾流的形成机理 在风场中，叶片会对周围空气施加一个力矩，后方空气会沿着叶片运转的方向旋转，下风方向上的空气会形成很多涡流，由于大气流动具有不确定性，涡流在下风方向会横向扩展，这种扩展会在风力机下风方向上很远的距离保持下

29、去，下游区域的风力机受到涡流影响，其输出功率会出现一定程度的下降，这种现象被称为风力机尾流效应。5.2 工程实例工程实例 本文以瑞典法尔肯贝里市的200kW垂直轴风力机为原型，按照真实的空间排布进行数值模拟，每两个风力机间隔140150m。5.3 尾流特征仿真模型尾流特征仿真模型5.3.1 风力机分布风力机分布 （a） （b）布置如图所示，两次计算分析中，计算域尺寸相同。5.3.2 网格划分与边界设定网格划分与边界设定单机流场区域网格节点数约为210万，双机组流场域网格节点数约为330万。(1) 计算区域入口设定风速(2) 计算区域出口设置出口静压(3) 叶片表面及流场底面设定为无滑移边界，流

30、场顶面和两侧设定为对称边界；(4) 静止域与旋转域交界面设定相对旋转边界。5.3.3入口处风速梯度入口处风速梯度在大气边界层中，由于受到地面摩擦的影响，平均水平入流风速会随高度而发生变化，即存在风剪切效应。( )=()(z )ssV zzzV 为高度z处的入流风速； 为参考高度处的入流风速； 为赫尔曼(Hellman)指数。( )V z(z )sV计算域入口处风速随高度变化梯度 5.4 计算结果与分析计算结果与分析 在20rpm时，上游风力机与单风机输出转矩峰值输出相近，约为38000 Nm。然而，下游风力机转矩输出峰值与谷值均低于单风机。下游风力机由于上游风力机尾流影响，转矩峰值输出具有一定的波动，在达到稳定状态后，转矩峰值约为30000 Nm。经梯形法求积分算得三台风力机稳定后功率输出分别为51.42kW、49.61kW和41.17kW。处于上游的风力机的输出功率受下游风力机的影响较小，与单独风力机的输出功率基本一致，而下游风力机输出功率减少17%左右。 02468100500010