河海大学工程力学张建新硕士毕业论文

分类号：

UDC：TB12学号：1031001050密级：硕士学位论文

垂直轴风力机仿真与应用研究

张建新指导教师姓名：蔡新

申请学位级别：

论文提交日期：教授河海大学力学与材料学院专业名称：工程力学工学硕士2013年5月论文答辩日期：2013年5月21日2013年6月日学位授予单位和日期：

答辩委员会主席：河海大学论文评阅人：

2013年5月中国·南京

分类号(中图法)：TB12UDC(DDC)：531密级：密级：无论文作者姓名：论文作者姓名：张建新学号：学号：1031001050单位：单位：河海大学论文中文题名：论文中文题名：垂直轴风力机仿真与应用研究

论文中文副题名：论文中文副题名：无

论文英文题名：论文英文题名：ThesimulationandApplicationResearchoftheverticalaxiswindturbine论文英文副题名：论文英文副题名：None

论文语种：论文语种：汉语论文摘要语种：论文摘要语种：汉、英论文页数：论文页数：71论文字数：论文字数：3.0(万)论文主题词：论文主题词：垂直轴风力机、CFD数值模拟、风能利用、尾流效应申请学位级别：申请学位级别：工学硕士专业名称：

研究方向：

指导教师姓名：指导教师姓名：蔡新

论文答辩日期：论文答辩日期：教授计算力学与工程仿真导师单位：导师单位：河海大学力学与材料学院工程力学2013年5月21日

ThesimulationandApplicationResearchof

theverticalaxiswindturbine

DissertationSubmittedto

HoHaiUniversity

Infulfillmentoftherequirement

Forthedegreeof

MasterofEngineering

JianxinZhang

(CollegeofMechanicsandMaterials)

DissertationSupervisor:ProfessorXinCai

May,2013Nanjing,P.R.China

学位论文独创性声明：学位论文独创性声明：

本人郑重声明：本人郑重声明：所呈交的学位论文，所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。究工作所取得的成果。尽我所知，尽我所知，除文中已经注明引用的内容和文中的试验数据外，数据外，本学位论文的研究成果不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。明确方式标明并表示了谢意。如不实，如不实，本人负全部责任。本人负全部责任。

论文作者(签名)：___________2013年5月日学位论文使用授权说明：学位论文使用授权说明：

河海大学、河海大学、中国科学技术信息研究所、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用彩印、彩印、缩印或其他复印手段保存论文。缩印或其他复印手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。容相一致。除在保密期内的论文保密外，除在保密期内的论文保密外，允许论文被查阅和借阅。允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公开(包括刊登)授权河海大学研究生院办理。授权河海大学研究生院办理。论文作者(签名)：_____________2013年5月日

摘要

以H型垂直轴风力机为研究对象，基于计算流体力学CFD理论，采用稳态和瞬态流体计算方法及CFX数值计算软件，研究改善H型垂直轴风力机的启动和捕获风能的性能，选择各风速下与风力机相适配的发电机，并研究在风场中如何布置垂直轴风力机，为H型垂直轴风力机的设计提供参考。本文的工作如下：

(1)阐述了垂直轴风力机空气动力学基础如翼型和翼型的空气动力特征、风力机的工作原理与参数；介绍了CFX软件以及湍流数值模型和滑移网格技术。通过对湍流数值模型等理论的探讨，为下文的模拟分析提供理论依据。

(2)论述了垂直轴风力机启动性能研究的重要性，运用三维CFD技术，结合剪切力输运SST-κω湍流模型，模拟分析了全尺寸垂直轴风力机的安装半径、叶片弦长、安装角度和叶片数目四个参数对其自启动性能的影响。

(3)根据麦克马斯特大学的风力机实体，建立基于移动网格技术上的瞬态CFD模型，研究了各参数对于垂直轴风力机的功率输出、转矩输出和风能利用率等性能的影响；还研究了不同风速下垂直轴风力机输出特性，并确定最佳功率输出曲线，选取与风力机相适配的发电机，以及正常工作时发电机的负载调节。

(4)引入风速梯度概念，根据瑞士Falkenberg市风力机真实空间排布，运用数值模拟方法计算出上游风力机对下游风力机输出功率的影响，并数值模拟研究了风力机的尾流特征，得出了多台风力机排布的建议。

关键词：垂直轴风力机；CFD；启动性能；动态输出；风速梯度；尾流

Abstract

Inthisthesis,theH-shapedvertical-axiswindturbineisstudied,byusingcomputationalfluiddynamicstheory.Combinedwiththesteady-stateandtransientfluidcalculationmethodsandnumericalcalculationsoftwareCFX,thepurposeoftheresearchistoimprovethestart-upandcaptureperformanceoftheH-shapedvertical-axiswindturbine，andprovidesatheoryreferencetochoosegeneratorwhichadaptedtowindturbine,andhowtolayoutaverticalaxiswindturbineinawindfarm.AlltheseprovideareferencefortheH-shapedvertical-axiswindturbinedesign.Themainworkofthisthesisisasfollows:

Firstly,aerodynamicsofverticalaxiswindturbineisintroduced，suchasairfoil,aerodynamiccharacteristicsofairfoil,operationprincipleandparameters;CFXandturbulencenumericalmodelandSlidingmeshwerealsointroduced.Alltheseprovideabasictheoreticalofturbulencenumericalmodelforthesimulationandanalysisofthefollowing.

Secondly,theimportanceofstart-upperformanceoftheverticalaxiswindturbineispresented.Theimpactoffourparameters(includinginstallationradius、bladechord、installationangleandbladenumber)onthestart-upperformanceofthefull-sizeverticalaxiswindturbinearesimulatedandanalyzedbyusingthree-dimensionalCFDtechnology,combinedwiththeshearstresstransportSSTκ-ωturbulencemodel.

Thirdly,accordingtothewindturbineofMcMasterUniversity,Theimpactofeachparametersonpoweroutput,torqueoutputandwindenergyutilizationareanalyzed,byusingtransientCFDmodelbasedonthemovingmesh.Therelationshipbetweentheoutputpowercharacteristicsandtherotationalspeedindifferentwindspeedisstudied,andtheoptimumpoweroutputcurveisdetermined.Theoperatingcharacteristicscurveofgeneratorsadapttothebestpoweroutputofthewindturbinewasselectedinordertoachievemaximumwindenergyutilization.Theloadregulationisalsodescribedwhenthegeneratorsworkproperly,toensurethattheoutputpowerofgeneratorisatmaximumefficiency.

河海大学硕士论文垂直轴风力机仿真与应用研究

Finally，theconceptofwindvelocityprofileisintroduce.EffectsofupstreamwindturbinetodownstreamwindturbineinoutputpowerarecalculatedbyusingnumericalsimulationmethodsaccordingtothedistributionofthewindturbinesintheSwisscityofFalkenberg.Andthewakecharacteristicsofwindturbinearestudiedbynumericalsimulation.Sowindturbinedistributioncanbemorereasonable.

Keywords:verticalaxiswindturbine;CFD;startupperformance;dynamicoutput;windvelocitygradient；wake

第一章绪论..........................................................................................................1

1.1小型风力机的研究背景与意义.............................................................1

1.1.1能源危机与风能利用..................................................................1

1.1.2小型风力机在离网式发电系统的应用......................................1

1.2风力机概述.............................................................................................2

1.2.1风力机的分类..............................................................................2

1.2.2垂直轴风力机的优点..................................................................3

1.3垂直轴风力机研究现状与进展.............................................................4

1.3.1国外研究现状..............................................................................4

1.3.2国内研究现状..............................................................................6

1.4目前尚存在的问题.................................................................................7

1.5本文的主要工作.....................................................................................8

第二章垂直轴风力机工作原理与CFD方法..................................................11

2.1垂直轴风力机气动原理.......................................................................11

2.1.1翼型的定义与空气动力............................................................11

2.1.2垂直轴风力机基本工作原理与结构参数................................13

2.1.3垂直轴风力机的性能参数........................................................14

2.2计算流体力学CFD技术.....................................................................16

2.2.1CFD的发展与CFX软件..........................................................16

2.2.2湍流模型....................................................................................17

2.2.3移动网格技术............................................................................20

2.3本章小结...............................................................................................22

第三章垂直轴风力机静态启动性能分析........................................................23

3.1静态启动性能仿真计算模型...............................................................23

3.2计算方法...............................................................................................24

3.3计算结果及分析....................................................................................25

3.4叶片启动性能影响参数分析...............................................................26

3.4.1不同叶片安装半径下的风力机启动性能分析........................27

河海大学硕士论文垂直轴风力机仿真与应用研究

3.4.2不同叶片弦长下的风力机启动性能分析................................27

3.4.3不同叶片安装角下的风力机启动性能分析............................28

3.4.4不同叶片数下的风力机启动性能分析....................................29

3.5本章小结................................................................................................29

第四章垂直轴风力机动态性能分析与发电机配置........................................31

4.1动态工作性能仿真计算模型...............................................................31

4.2计算方法...............................................................................................32

4.2.1边界条件的确定........................................................................32

4.2.2瞬态计算的处理方法................................................................33

4.3风力机动态输出性能影响参数分析...................................................36

4.3.1不同叶片安装半径下的风力机动态输出性能分析................36

4.3.2不同叶片弦长下的风力机动态输出性能分析........................38

4.3.3不同叶片安装角下的风力机动态输出性能分析....................40

4.3.4不同叶片数下的风力机动态输出性能分析............................42

4.4不同风速下风力机输出性能研究与发电机配置...............................44

4.4.1发电机的功率输出与调节........................................................45

4.4.2风力机额定风速和发电机额定功率特性的选择....................46

4.4.3不同来流风速下风力机功率输出性能分析............................47

4.4.4与风力机相适应的发电机性能选配分析................................49

4.4.5发电机正常工作时的负载调节................................................50

4.5本章小结...............................................................................................51

第五章垂直轴风力机尾流特性研究................................................................53

5.1尾流的形成机理...................................................................................53

5.2工程实例...............................................................................................53

5.3尾流特征仿真模型...............................................................................54

5.3.1风力机分布................................................................................54

5.3.2网格划分与边界设定................................................................55

5.3.3入口处风速梯度.........................................................................56

5.4计算结果与分析...................................................................................58

5.5本章小结...............................................................................................61

第六章总结和展望............................................................................................63

6.1总结........................................................................................................63

6.2展望........................................................................................................64

参考文献..............................................................................................................65

致谢..............................................................................................................71

III

第一章绪论

1.1小型风力机的研究背景与意义

1.1.1能源危机与风能利用

能源是人类赖以生存和发展的最重要的物质基础，每一次发现新的能源利用方式都会带来人类生产力的巨大提高，从而带来人类文明的进步。第一次工业革命就是源于蒸汽机的发明和使用，第二次工业革命开始于电力的广泛应用。

随着上世纪下半叶和本世纪初全世界的发展，人类对能源的消耗日益增长。由于过度依赖煤炭和石油等不可再生矿物燃料，目前世界范围内矿物燃料的总量正在不断减少，价格日益攀高，并且由于燃烧矿物造成有害废气排放，导致地球生态和环境的不断恶化与温室效应。所以目前能源问题及其带来的环境问题成为制约很多发展中国家继续发展的一个关键性问题。

由于风能拥有取之不尽，用之不竭，清洁卫生，分布范围广等特点，风能发电成为世界上许多国家可持续发展战略的重要组成部分。据统计，地球表面所接收到的太阳能辐射约有2%转化为风能，其总量十分可观，全球风能总量约为1300亿千瓦，其中可利用风能约为2×107MW。在中国，根据科学家估计，在10m高度层中风能的总能量超过30亿KW，其中可以利用的风能资源约为2.5亿KW[1]。

1.1.2小型风力机在离网式发电系统的应用

并网式发电系统指的是发电设备输出的电能经过转换成符合电网要求的交流电后，供入电网系统，经电网系统调节支配给各电力用户。离网式发电系统指发电设备产生的电能不经过电网系统，直接将电能供给用电设备。

在人口稠密地区，并网式发电系统能够很好地调节电能的供需关系，有着很好的经济与社会效益。但是在海岛、边远山区、牧区以及轮船上，电网很难覆盖到或者覆盖延伸的成本很昂贵时，离网式发电系统此时就能很好的解决人民群众的生产生活用电问题。

目前国内有大型MW级的水平轴风力机，以及小型的数十数百KW的风力

机。由于小型风力机属于一次性投资设备，后期费用比较低，供电成本要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现实意义[2]。

1.2风力机概述

1.2.1风力机的分类

风力机是将空气动能转换为机械能的装置，风力机可以分为两种类型，一种是旋转轴处于水平方向的水平轴风力机，另一种是旋转轴处于竖直方向上的垂直轴风力机；按照其工作原理，又可分为升力型风力机和阻力型风力机。

(1)水平轴风力机

水平轴风力机的特点是旋转轴与来流方向相同，在风速恒定的情况下，水平轴风力机的优点是电能输出比较平稳。目前研究和应用比较成熟的是三叶片升力型水平轴风力机，如图1-1所示，该风力机目前在全世界得到广泛应用，其电能输出可达到MW级，风能利用率可达0.4-0.5，额定风速下叶片运行尖速比可达5-6

，可以并入电网，解决大城市的电能紧缺。

图1-1水平轴风力机

(2)垂直轴风力机

垂直轴风力机按照工作原理可以分为升力型垂直轴风力机与阻力型垂直轴风力机。升力型风力机包括Φ型Darrieus风力机和直线翼型Darrieus风力机，升

力型风力机转速快，所以主要用来发电。阻力型风力机主要包括垂直轴的萨渥纽斯型和涡轮型等风力机，该类风机转速不高，但输出转矩很大，所以常被用于提水、碾米和拉磨等提供动力[3]。

Darrieus风力机是1931年被法国工程师G.J.M.Darrieus研发出来的[4]。Darrieus风力机主要结构形式有Φ型和直线翼型。直线翼型风力机结构形式简单，但是在运行过程中叶片受到离心力作用，在与支撑杆连接处会产生弯曲应力，为克服弯曲应力而加强的支撑结构会产生空气阻力，从而影响风力机效率。Φ型风力机弯曲的叶片在运行过程中只承受沿叶片切向的拉应力，不承受弯曲应力载荷，所以叶片可以做得更轻，可以以更高的转速运行,尖速比可以很高，对于给定的风力机重量和成本预算，能获得较高的功率输出。该型风力机多被设计为双叶片或三叶型[5]

。

(a)

图1-2(b)a为阻力型风力机、b为Ф型风力机、c为H型风力机(c)

1.2.2垂直轴风力机的优点

(1)工作风速低，风能利用率高

Darrieus型风力机不需要像水平轴风力机那样需要调整方向以捕捉风能，任意来流方向下均可运转，减少了传动装置，一般当风速达到3m/s左右时即可正常发电[6]。根据著名的Betz极限理论[7]，水平轴与垂直轴风力机的最大风能利用系数都是0.593。目前水平轴风力机的风能利用系数能达到0.4，在俄罗斯生产的垂直轴风力机进行实验表明风能利用系数达到0.4～0.5[8]。

(2)垂直轴风力机成本低

水平轴风力机重量大，成本高，是因为迎风风力机转子是逆风的，这对于叶

片的刚度要求很高，不能被风折弯。同时也需要高强度的塔架足以支撑上部的机箱和叶片，不至于变形。所以需要大量强度很高的材料来制造叶片与塔架。设备重了，对基础的承载能力需要也就提高，必然加大造价。垂直轴风力机相比于水平轴的，就可以很大程度上减少重量，从而能够减少这些成本[9]。

(3)垂直轴风力机叶片使用寿命长

水平轴风力机叶片受到水平方向的风荷载、垂直于转轴方向的离心力、还有自身的重力。在叶片旋转的过程中，惯性力方向一直变化，重力方向是不变的，这样叶片受到的是一种交变荷载，这对于叶片的疲劳损伤是非常不利的[10]。所以叶片发生的事故多是从叶片根部折断。而垂直轴风力机在旋转过程中，受到的重力和惯性力方向是始终不变的，而且垂直轴风力机的叶片主要承受的是拉应力，所以垂直轴风力机叶片使用寿命更长些。

(4)安装与维护保养比较方便

水平轴风力机的发电机组一般置于几十上百米的高空，而且是一个可旋转360o的活动机舱，机组的重心比较高，安装与维护比较不便。而垂直轴风力机的机舱与齿轮等都在底部，安装和维护比较方便。所以选择垂直轴风力机能减少此类成本。

(5)环境效益好

风力机运行时，尖速比越大，产生的噪音也会越大。垂直轴风力机的尖速比一般比较低，所以噪音的影响比较小；尖速比低，对于鸟类的危害也小。

1.3垂直轴风力机研究现状与进展

1.3.1国外研究现状

早期对垂直轴风力机的研究，包括实验研究与模型计算。实验研究从叶片的气动性能方面研究测试风力机的功率输出特性。模型计算主要是分析叶片几何尺寸对风力机功率输出特性的影响。目前有4种模型可以用来计算风力机的特性，它们分别为单流管模型(SingleMultiple-Streamtubes)、多流管模型(DoubleMultiple-Streamtubes)、Vortex模型、Cascade模型。

1974年，Templin率先提出了基于动量定理的单流管模型(Single

Multiple-Streamtubes)[11]，该模型主要被用来计算Darrieus风力机的气动性能，该模型计算比较粗糙，不能反映出风力机上下游区域与周围的流动情况。

1975年，Strickland提出了单流管模型(SingleMultiple-Streamtubes)来计算垂直轴风力机的性能，主要通过研究风力机的密实度、叶片弦长和高径比等几何参数研究不同风速对风力机性能的影响[12]。

1980年，Migliore和Wolfe[13]利用空气动力学分析了叶片在弯曲与直线流场下不同的力学特性，通过conformalmapping技术将Darrieus风力机周围对称运动的均匀流场转化为具有曲度和攻角翼型的流场，可由尖速比、旋转相位角、叶片安装攻角及弦长得出风力机气动性能。此外，由弯曲流场引起的边界层压力梯度增加，也影响了叶片上边界层分离。

1980年，Jesch和Walton[14]研究了叶片相对攻角随着转动相位角和尖速比变化的关系。研究结果表明大多数Darrieus风力机不能自行启动，且只有在尖速比大于3时，叶片周围流场才能保持不过早分离，风力机可达到较高效率。

1986年，Brochier等人[15]应用LDV与Dyeemission对双叶片直线型叶片的Darrieus风力机产生的周期性涡流进行了研究，针对低尖速比下动态失速现象提出了动态失速导致涡流产生，涡流是两个由翼型前缘与后缘产生的相反方向的涡组成的，并以与来流相同的速度向后移动，但叶片穿过这对相互作用的涡，可以产生额外的工作动力。

1990年，Berg等人[16]对Darrieus风力机叶片进行了研究，研究表明，风力机叶片的工作原理与航空叶片有很大的差异，风力机叶片在一个周期内会两次跨越0°攻角，并有超过90°的攻角。此外风力机工作雷诺数大概在105～106，航空叶片雷诺数在106～107。

1994年，Tchon和Parachivoiu[17]使用二维非定常Navier-Stokes非线性流函数涡公式模拟了叶片周围流场，并与Oler等人的实验结果进行了比较，得出由于动态失速现象产生的多个前缘与后缘涡会影响翼型的切向力与法向力系数的峰值。

2007年，Islam等人[18-21]应用多流管模型对直线型叶片Darrieus风力机进行了空气动力特征分析，列出众多能够使得垂直轴风力机具有良好启动性能与工作效率的翼型，提出对称翼型不适用于小型垂直轴风力机上，高升力低阻力的非对

称厚翼型更加适用于低尖速比的垂直轴风力机。

随着计算机技术的迅速发展，计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，简称为CFD)得到很快发展，近年来很多学者开始应用更为便捷的商业软件来计算分析垂直轴风力机的流场。

2005年，Horiuchi等人[22]采用STAR-CD模拟二维垂直轴风力机的速度场，并与实验相比较，这样可以更快地设计风力机。

2007年，Guerri等人[23]使用STAR-CD模拟了二维垂直轴风力机叶片的受力，湍流方程采用SSTκ-ω，得出低尖速比下叶片周围有更强的涡流，此外叶片受力研究有助于研究风力机结构的流固耦合效应。Lida等人[24]采用大涡模拟LES(LargeEddySimulation)对叶片大攻角下大尺度失速与湍流尾流之间相互作用的影响。Ferreira等人[25]使用Fluent研究二维垂直轴风力机失速现象，得出不同的湍流模型模拟的结果不同，使用Laminar模型可模拟翼型前缘的层流分离，但会高估涡的发展，而一阶或二阶湍流模型会抵消翼前缘层流分离的最大法向力。另外Ferreira等人[26]采用动量方程理论计算叶片气动性能。

Hamada等人[27]对垂直轴风力机进行三维模拟，研究了包括翼尖损失、转轴及支臂等对风力机性能的影响。

2009年，Hwang等人[28]应用STAR-CD,采用κ-ε湍流模型研究了Darrieus风力机自行启动性能以及低风速和复杂流动情况下的功率输出。

2010年，K.Pope[29]等人对垂直轴风力机添加挡风板后提高工作性能进行了分析。

1.3.2国内研究现状

2005年苗佩云、朱永刚等人选用标准κ-ε湍流模型，应用动网格技术，运用有限体积法离散控制方程，采用分离隐式解法对垂直轴风力机旋转流场进行了数值模拟[30]。

2009年，王鑫、童正明、王企鲲分析了垂直轴风力机风能利用率低的原因，并用数值计算方法对安装导叶的导流型垂直轴风力机气动性能进行了研究。研究结果表明：导叶除了能减缓来流对叶片造成的阻力转矩，还能提高来流对叶片压力面的有效转矩，因此导流型垂直轴风力机能够提高风能利用率

6[31]。

2009年，郑云、吴鸿斌等人对不同弦长的小型H型垂直轴风力机气动性能进行了分析。建立了风力机外流场数值模型，采用滑动网格技术，选用RNG湍流模型和基于压力隐式的Couple算法进行瞬态模拟计算，得出风力机气动性能曲线，进而分析了叶片弦长对小型H型垂直轴风力机气动性能的影响[32]。

2010年赵炜、李涛以某一小型风力机作实例，分别运用Matlab和Fluent软件计算了垂直轴阻力型风力机的风能利用率。第一种方法是通过Matlab对风力机叶片受力分析，然后利用风力机功率计算公式计算；第二种方法是Fluent数值模拟叶片气动流场流态，并计算出风力机的扭转力矩和风能利用率等参数。比较了两种方法的优缺点，有助于垂直轴风力机的设计研发[33]。

2011年姚激、黄剑峰等人做了关于变攻角垂直轴风力机三维定常流场数值模拟，应用Fluent软件求解三维定常不可压N-S方程,采用κ-ε湍流模型和SIMPLE算法,结合MRF移动网格技术,模拟出垂直轴风力机的流场特性。并分析了不同攻角下的速度场、压力场分布,得出叶片压力分布和转矩值。论证了绕流场模拟能有效地计算出风力机在不同攻角下的流场状况[34]。

1.4目前尚存在的问题

从上述垂直轴风力机国内外研究现状与进展看，相比于水平轴风力机，目前对垂直轴风力机流场的数值模拟计算的研究相对来说不是很完备，对于垂直轴风力机气动特性的研究尚存在以下几点不足：

(1)垂直轴风力机的启动性能研究方面

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

对于垂直轴风力机的研究，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方面

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显得越来越重要。

1.5本文的主要工作

与水平轴风力机相比，垂直轴风力机的流场情况更加复杂，三维数值模拟是垂直轴风力机气动性能计算的有效方法。本文在收集总结前人研究成果的基础上，阅读和参考了大量国内外相关技术资料，先对H型垂直轴风力机进行了静态启动性能的研究分析；然后通过瞬态滑移网格技术对H型垂直轴风力机进行了动态工作性能参数影响分析，结合发电机的相关特性分析了两者之间的最佳搭配；最后引入风速梯度概念，结合国外的实际工程对H型垂直轴风力机的尾流效应进行了探讨。本文主要工作与结构安排如下：

第1章绪论。介绍本文的研究背景与意义；概述了风力机的两种分类、适用于离网式发电系统的垂直轴风力机、H型垂直轴风力机国内外的研究现状，以及本文的主要研究工作。

第2章垂直轴风力机工作原理与CFD方法。介绍翼型的基本知识与H型垂直轴风力机工作原理与工作参数；简述计算流体力学(CFD)的发展历程与CFX软件；说明湍流方程的基本知识与本文所用的SSTκ-ω湍流模型、移动网格技术。通过对H型垂直轴风力机气动特征、湍流模型与移动网格技术等理论的探讨，为H型垂直轴风力机流场及尾流的数值模拟计算提供理论支撑。

第3章垂直轴风力机静态启动性能分析。讨论H型垂直轴风力机静态启动性能研究的必要性，建立H型垂直轴风力机流场的静态模型，从叶片安装半径、弦长、安装角和叶片数四个方面进行静态模拟计算，绘制不同风速下的风力机启动转矩曲线，并对其进行分析，研究这四个参数对于风力机静态启动性能的影响。

第4章垂直轴风力机动态性能分析与发电机配置。建立H型垂直轴风力机流场的瞬态模型，介绍CFX瞬态计算的处理方法，从叶片安装半径、弦长、安装角和叶片数四个方面进行瞬态模拟计算，绘制不同转速下的风力机功率输出与转矩输出曲线，以及不同尖速比下的风能利用率曲线，讨论这四个参数对于风力机输出性能的影响。最后研究并分析各个工作风速下的垂直轴风力机输出特征，将之与发电机的工作特性相比较，讨论风力机与发电机相适配的问题，并研究正常工作状态下的功率调节问题。

第5章垂直轴风力机尾流的研究。介绍尾流的形成机理与瑞典法尔肯贝里市的200kW垂直轴风力机风场，建立单机与双机前后排布的模型，引入风速梯度的概念应用于入口处风速，分析上游风力机尾流对于下游风力机的影响。

第6章总结与展望。给出论文工作的概括性总结和综合性结论，指出今后工作的发展方向。

第二章垂直轴风力机工作原理与CFD方法

为研发更加高效能的垂直轴风力发电机，气动性能的设计尤为重要，目前计算流体力学技术已经能够模拟任意时刻、任意点的流动情况。本章主要介绍垂直轴风力机气动工作原理与流体数值研究方法。

2.1垂直轴风力机气动原理

2.1.1翼型的定义与空气动力

翼型的定义为与叶片长度方向相垂直的横断面形状。翼型的特征如图2-1所示。

图2-1翼型的几何参数

翼型上迎流的一端称为前缘，圆前缘能够减小形状阻力；尖前缘能够减小压缩性所引起的激波阻力或自由表面所引起的兴波阻力。

翼型的尖尾称为后缘。

翼弦是与前后缘相连的直线，其长度称为弦长，一般用c来表示。

翼型厚度是截面上下面间与翼弦相垂直的直线长度，翼型的最大厚度以t来表示，通常以它作为翼型厚度的代表。翼型相对厚度是指最大厚度与翼形弦长之比，即tc，通常它的取值范围为3%～20%(风力机最常用的是10%～15%)。

翼型的中弧线是与翼弦相垂直的各直线段中点的连线(图2-1中的虚线)。翼

型的弯度是中弧线到翼弦的距离，它有一个最大值fmax。

V∞图2-2翼型升阻力与攻角示意图