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双垂直轴风力发电机气动性能优化研究

刘美娜  
【摘要】:人类社会和世界经济的发展离不开能源资源的巨大推动作用。随着工业化进程的不断深入,全球的能源供应体系面临着重大挑战。在应对这一重大能源危机挑战中,风能作为一种新型的清洁可再生能源,有着不可小觑的作用。在风能利用领域,垂直轴风力发电机以其低噪音、高性能、易于维护等特点在城市中有出色运用。本文正是针对双垂直轴风力发电机的气动性能,运用数值模拟方法展开多参数的优化研究。在双垂直轴风力机的数值模拟中,对网格密度、时间步长以及计算时长这三个关键参数进行独立性检查,以最适参数建立三维数值模型。运用相同方法对单个垂直轴风力机建模,并对比计算结果和前人实验数据的差异,两者的高度一致验证了本研究所用数值模拟方法的可靠性。运用田口稳健设计方法,以双垂直轴风力发电机功率系数的最大化作为设计目标,选取高径比、桨距角、实度、旋转方向和风机间距这五个重要设计参数,设计得到五因素四水平的正交试验工况。对正交工况的模拟结果运用极差分析法,得到各设计参数对双风力机功率性能的影响排序为:桨距角风机间距高径比实度旋转方向,并得到各参数的最优最差水平。在此基础上引入广义可加模型并分析参数交互作用,预测得到的最优最差工况与田口方法的结果互为补充验证,进一步得到更加严密的双风力机多参数优化结果。为了验证优化设计的结果并进一步研究双风力机的气动性能,针对优化设计所得最优最差工况,对单个和一对垂直轴风力机的气动性能进行了分析。通过风能利用率对比,发现与单个风力机相比,最优工况下双风力机的功率系数提升了13.72%,最差工况下双风力机功率系数提升了7.39%,同时最优工况的双风力机功率系数比最差工况双风力机高出81.88%。通过最优工况下单、双风力机的流场对比,发现成对风力机布置通过对彼此流场的相互影响,给风力机气动性能带来一定程度的积极作用。针对翼型动态失速和流场分布对最优最差的双风力机工况进行对比研究,进一步验证了优化设计的有效性。基于本研究,分析成果并总结不足,提出后续双风力机研究的展望。


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