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水平轴大型风力机翼型非定常气动特性分析的开题报告一、选题背景与意义随着能源需求的增长和环境保护的日益重视，风能成为全球清洁能源开发的重要方向之一。
水平轴大型风力机是当前主流的商业化风力发电设备，但在其运行过程中，存在着一系列气动问题，例如复杂的非定常气动特性和翼型失速现象等。
因此，对水平轴大型风力机的气动特性进行深入的研究，能够有效地提高其效率和可靠性，为风能发电技术的进一步发展奠定基础。
二、研究内容与方法本文研究内容为水平轴大型风力机的翼型非定常气动特性，其中主要包括：1.翼型的几何形状分析。
通过对常见的翼型进行分析，确定适用于水平轴大型风力机的翼型类型及其主要参数。
2.数值模拟方法研究。
综合考虑复杂气动流场的影响和计算效率的要求，选用合适的计算模型和仿真软件，进行翼型非定常气动特性的数值模拟。
3.非定常气动特性分析。
从压力分布、力矩、升力和阻力等方面，对翼型非定常气动特性进行深入的分析和探究。
三、预期结果与创新点预期通过本文的研究，可以深入了解水平轴大型风力机的非定常气动特性，为设计优化提供理论指导和实验依据。
具体预期结果包括：1.翼型的几何形状分析结果，将为后续的仿真模拟提供翼型参数。
2.数值模拟方法研究结果，将为气动特性分析提供计算基础。
3.非定常气动特性分析结果，将为翼型设计和风力机的性能提升提供理论支撑。
创新点：1.本文研究针对非定常气动特性做了深入探究。
2.选择了适合翼型非定常气动特性分析的数值模拟方法和仿真软件，优化了模型和方法。
3.翼型的几何形状参数选择和分析基于对商用风力机的考虑。
四、进度安排1.前期准备（1个月）：查阅文献、对水平轴大型风力机翼型进行几何形状分析。
2.数值模拟方法研究（2个月）：选择数值模拟方法和仿真软件，构建计算模型。
3.数值模拟分析（3个月）：进行翼型非定常气动特性的数值模拟。
4.分析与证明（2个月）：分析非定常气动特性的分布规律和影响因素。
5.总结与撰写论文（1个月）：总结结果，撰写论文并进行修改。
风力机三维旋转叶片非定常气动特性数值模拟研究胡国玉;孙文磊;曹莉【摘要】Based on computational fluid dynamics (CFD) method,this paper simulated the aerodynamic characteristics of NREL Phase VI wind turbine.Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) turbulence models are used in the simulations,and extensive comparisons with experimental data are performed.By the comparison for power,thrust and sectional force coefficients of NREL Phase Ⅵ wind turbine between CFD and NREL,the results at constant pitch and variable wind speed show that the CFD predictions match the experimental data consistently well at low wind speed.At high wind speed,there is a little difference due to the effects of flow separation.The simulation results reveal the unsteady aerodynamic characteristics of wind turbine blade with three-dimensional rotational effect.%文章基于CFD方法对NREL Phase VI风机的气动特性进行了数值模拟.根据NREL定桨变速的实验工况,通过求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),基于k-ω SST湍流模型分析了不同风速工况下的风机叶片流场特性,得到了气流沿叶片展向的流动分布.通过与NREL NASA-Ames风洞实验数据的对比,在低风速时采用CFD仿真的计算结果与实验结果更为吻合;在失速区域,由于气流分离的影响,CFD仿真的计算结果与实验结果对比差异较明显.CFD仿真大体上能够较好地预测实验风机的性能,分析动态失速现象发生的原因,揭示叶片在三维旋转效应下的非定常气动特性.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)006【总页数】5页(P867-871)【关键词】风力发电机;三维旋转效应;非定常气动特性;动态失速;分离流【作者】胡国玉;孙文磊;曹莉【作者单位】新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047【正文语种】中文【中图分类】TK83一般情况下，风力机的气动设计和载荷分析是采用稳态叶素-动量理论BEM[1]（Blade Element Momentum，BEM）进行计算的，但是由于基于二维翼型数据的BEM方法没有考虑到三维旋转效应，导致其计算值偏低。
风力机风轮非定常气动载荷计算1.引言随着清洁能源技术的发展，风能作为一种可再生、清洁的能源被广泛应用于电力生产领域。
而风力机作为转化风能为电能的设备，其稳定性和可靠性对于电力系统的稳定运行具有重要作用。
然而，风力机受到非定常风速和风向的影响，导致风轮非定常载荷，影响其稳定性和可靠性。
因此，研究非定常气动载荷计算方法对于风力机运行的控制和优化具有重要意义。
2. 非定常气动载荷特点2.1 风力机非定常风场特点风力机非定常载荷来源于风场的非定常性和风轮本身的非定常性。
其中，风场的非定常性是由于风速和风向的变化导致的，而风轮本身的非定常性则是由于风轮运动状态的变化引起的。
风速变化包括风向变化、风速周期性变化、突然风暴等。
这些变化导致风力机受到的非定常载荷具有以下特点：（1）涡旋生成：当风速和风向发生变化时，会在风轮背风侧产生涡旋，引起非定常载荷变化。
（2）波动载荷：风速周期性变化会引起非定常载荷的周期性变化。
（3）外加载荷：风暴风等突然变化的风速和风向变化会引起较大的外加载荷。
2.2 风力机非定常气动载荷特点风力机非定常气动载荷是指风轮运动状态变化引起的载荷变化。
风轮运动状态的变化包括旋转角速度的变化、叶片变形等。
而这些变化会导致风轮的气动载荷发生变化，具有以下特点：（1）非定常气动力：当风轮旋转时，气动力也随着变化。
这种气动力具有特殊的非定常特性，例如相位滞后、自激振荡等。
（2）非定常扭矩：风轮非定常气动力的变化会引起扭矩的变化，这种非定常扭矩会对风力机的稳定性和可靠性产生影响。
（3）振动载荷：风轮非定常气动载荷的变化会引起风轮的振动，这种振动载荷会对风力机的结构强度和寿命产生影响。
3. 非定常气动载荷计算方法为了控制和优化风力机的运行，需要对其受到的非定常气动载荷进行计算和分析。
目前，非定常气动载荷的计算方法包括解析方法、半经验方法和试验方法。
3.1 解析方法解析方法是一种基于物理原理和数学模型的计算方法，可以计算出理论上的非定常气动载荷。
端板对Savonius风力机启动性能的影响
李岩;邓晴月;杨胜兵;佟国强;冯放
【期刊名称】《排灌机械工程学报》
【年(卷),期】2024(42)5
【摘要】为探究端板对Savonius风力机启动性能的影响,利用数值模拟和风洞试验相结合的方法对比研究了端板对两叶片、三叶片Savonius风力机在不同风速下的静态启动性能,并对流场进行了分析.结果表明:对于两叶片Savonius风力机,有端板风力机较无端板风力机平均启动力矩提升了85.4%(u=8 m/s),且反向启动力矩小,但无端板风力机启动力矩波动范围较有端板风力机小;对于三叶片Savonius风力机,有端板风力机较无端板风力机平均启动力矩提升了17.9%(u=8 m/s),但有端板风力机存在反向力矩,无端板风力机较有端板风力机整体力矩波动范围小且无反向启动力矩;端板的存在改变了叶片端部的流动情况和压力分布,叶片个数不同影响规律也不同.研究结果可以为Savonius风力机的结构设计提供参考.
【总页数】7页(P463-469)
【作者】李岩;邓晴月;杨胜兵;佟国强;冯放
【作者单位】东北农业大学工程学院;寒地农业可再生资源利用技术与装备黑龙江省重点实验室;东北农业大学文理学院
【正文语种】中文
【中图分类】S277.9
【相关文献】
1.影响Savonius型风力机性能的分析
2.叶片重叠比对Savonius风力机性能的影响
3.Savonius风力机横纵向重叠比对启动性能的影响
4.Savonius风力机叶片气动性能模拟与分析
5.重叠比对三叶片Savonius风力机启动性能影响研究
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风力机标模非定常数值模拟中的影响因素研究杨小川;王运涛;张玉伦;张书俊【摘要】The unsteady calculation modules based on the “TRIsonic Platform”(TRIP 3.0) are developed and applied to the standard wind turbine models with dynamic patched-grid and crossed-grid techniques.The influences of different parameters on the aerodynamic characteristics of the NREL Phase VI wind turbine model areanalyzed,which includes different real time steps, turbulence models and grid methods on calculating the unsteady RANS equation.The SA/SST turbulence models,dual-time method,MUSCL-Roe scheme,multi-grid and massively parallel computation technique are adopted for the unsteady simulations.The numerical results show that the different real timesteps,turbulence models and grid methods mainly affect the flow structure on the suction surface,further on the pressure distribution on the suction surface.The numerical results of the dynamic patched-grid technique combined with SA turbulence model are in good agreement with the experimental data.%基于自主研发的“亚跨超 CFD 软件平台”(T RIP3.0)，采用刚性运动网格技术和动态拼接网格技术，开发了针对旋转类机械的非定常求解模块。
三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟高翔;胡骏;王志强;张晨凯【摘要】通过粒子图像测速仪(Particle image velocimetry ,PIV)测量和定常计算流体力学(Computational fluid dy-namics ,CFD)数值模拟相结合的方法,对某三维旋转水平轴风力机模型的流场展开研究.在风洞开口实验段,来流风速为8 m/s ,针对不同尖速比(λ＝4 ,8)利用 PIV技术对风力机叶片的瞬时速度场进行测试.通过定常CFD数值模拟,获得了风力机叶片在相应工况下的流场细节.在8 m/s来流风速下,当尖速比大于7 .4时,试验测得的风轮扭矩和风能利用率与数值模拟结果趋于一致.尖速比小于7 .4时,试验测得的扭矩值低于计算值,其风能利用效率也较低.通过速度矢量分布可以看出,在λ＝4时,PIV测得靠近叶根的两个截面 S1,S2在叶背有明显的流动分离,CFD结果中仅在 S1截面叶背存在流动分离,S2截面叶背存在低速区.在λ＝9 .8时,PIV和CFD结果均显示叶片绕流流场没有流动分离.尝试采用Gamma Theta转捩模型进行了数值模拟,在考虑了层流影响后,计算所得风轮扭矩更加接近试验值.%A three-dimensional horizontal axis wind turbine model is tested and numerically studied .The test is carried out in a laboratory wind tunnel .With PIV measurement ,the flow fields around the blade in varied rotating speed and wind speed are obtained .Furthermore ,the test result is compared with CFD simulation to study the flow fields in moredetail ,especially the graphs of the velocity vector ,un-der different operating conditions .The relatively good agreement between the test and numerical results is achieved in some conditions .Besides ,under some conditions ,the test results are different from the numerical ones .To find the reason of the difference ,the numerical simulation with transitionmodel is carried out .Results show that with a consideration of laminar flow and transition process ,the calculated wind turbine torque is closer to the test value .【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2018(050)003【总页数】8页(P375-382)【关键词】粒子图像测速;计算流体力学;水平轴风力机;速度矢量分布;转捩模型【作者】高翔;胡骏;王志强;张晨凯【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院,南京,210016;山东交通学院航空学院,济南,250357;南京航空航天大学能源与动力学院,南京,210016 ;南京航空航天大学能源与动力学院,南京,210016 ;中国航天空气动力技术研究院,北京,100074【正文语种】中文【中图分类】TK83风力机的气动性能研究对现代风能利用有重要意义。
Savonius型风力机非定常流动的CFD和PIV研究摘要：本文旨在介绍Savonius（萨沃纽斯）型垂直轴风力发电机流场的研究。
这种风力机结构紧凑，可当做多级能源使用。
它的转子高度大约相等于转子直径，因此，风力发电机组的流动模拟需要三维模型。
由于其操作原则和叶片气流角的连续变化，可以观察到强烈不稳定影响造成的分离和涡脱落的现象。
在这种情况下，用K-ω和DES湍流模型可以得到良好的实验效果。
在本次工作中，我们采用CFD研究Savonius型风力机在不同流场条件下的行为，并确定其性能和尾迹的演变。
流场分析能帮助我们判别风力机设计的好坏。
为了验证模拟的准确性，在风洞中进行PIV试验研究，它可以确定真实的流场结构并验证数值模拟的精度。
1.介绍风力机通常被分为两种类型：水平轴和垂直轴。
这样分类与转轴相对风的位置有关。
因此，Savonius型风力机和Darrieus,Gyromill,H-rotor等等风力机一样归类为垂直轴风机。
Savonius型风力机以拥有此专利的芬兰工程师Savonius命名。
转子的基本版本是个S形横截面，这个S形横截面由两个半圆形与它们之间的一小部分重叠的叶片组成。
Savonius型转子被列为拖动式垂直轴风力机，其操作原理主要是基于凸叶片和凹叶片之间的阻力差。
然而，转子的不同角位置以及升力也能产生扭矩。
文献3是Savonius型风力机优点的综述，这种风力机设计简单稳健，可支持高风速，在低风速下也具有良好的启动特性和操作性。
它不需要定向装置，能在任何风向下工作。
这种风力机比转速低，不幸的是它的功率系数比较低。
关于Savonius型转子的试验和数值研究已经很多很多。
文献1,4,5,6,7是关于风洞中的试验。
在文献8,9,10,11中，为了获得转子内部以及周围的速度场，很多作者使用粒子成像技术或者粒子跟踪测速法。
除了试验，文献1,12,13,14还展示了许多数值研究。
Savonius型转子的气动性能和机械强度使得这种风力机能作为一个小型自主电源的一部分。
这种电源能用来给手机、笔记本电池充电或者当做监测设备的电源等等。
不幸的是，试验和数值模拟的结果并不能完全拿来使用，因为转子构成了电源设备不可分割的一部分。
因此有必要考虑转子和设备各个部件之间的气动干扰。
为了综合提高转子的空气动力性能，应尽量减少不利的相互作用。
只有通过数值建模才能得到由此产生的复杂流动分析，但是还需要选择适当的湍流模型。
所以在这里，作者的目的是确定适当的流动模拟的方法。
因此，先设想创建一个速度场和转子特性的实验数据库。
然后，在实验研究的情况下进行数值模拟。
最后，分析和比较实验和数值模拟结果，定义可以接受的数值模型。
2.试验研究试验研究的目的是获得风力机的空气动力特性，并且获得转子周围速度场的详细信息。
空气动力学性能试验用来证明数值试验的有效性。
用PIV技术测量获得扭矩产生的原理和转子下游涡结构的详细数据。
2.1试验台如图1所示，在巴黎高科Métiers风洞中开展试验。
这个封闭回路风洞有转子直径3m的轴流风机。
这个风机由120千瓦变频控制异步电动机驱动。
在风机后面，流动经过沉降室减速，沉降室配备有蜂窝状助力器和金属丝网用来整流。
风洞喷嘴加速风速，使得风从沉降室到测试段时风速能达到40m/s。
喷嘴的收缩系数为12.5，这能确保涡流比低于0.25，流速剖面均匀。
半导试验段的横截面为1.35米x1.65米，长度为2米。
试验段的静压和大气压非常接近。
因此，通过测量在沉降室的驻点压力可以获得上游速度。
压力传感器为Furness Control FC20。
测试的风力机转子有两个叶片，转子的直径为219.5mm，高度为200mm。
因此，叶片的纵横比AR=H/D为0.91，这个值非常低。
叶片为180°的圆弧，厚度为1mm。
叶片直径为57.5mm，间隙宽度s为11.5mm。
因此，隙宽比s/2r=0.1。
直径300毫米的底板能减少压力面到吸力面的流动泄漏。
同样，底板也能加强转子结构。
PolymethylmethacrylatAlthuglass®制作的叶片和底板能够保证PIV研究需要的透明度。
转子安装在用直流发电机耦合的一根轴上，用连接到发电机的变阻器控制转子负荷。
通过非接触式扭矩传感器(HBM T20WN)监测转轴与发电机之间的耦合，这能测量扭矩，并提供360个脉冲每转。
因为测量的出力非常小，因此转子轴承密封被移除，油脂被替换为薄硅油。
一个检测旋转轴上目标的光纤传感器(Keyence FS20V)，用来定位参考叶片的通过位置。
因此，在参考信号通过后，通过计算递送到扭力计的方信号的数目，可以在1°精度范围内得到叶片的角位置。
用数据采集卡可以取出传感器采集的数据，数据采集卡发出一个TTL信号来触发PIV测量所需要的转子角位置。
2.2气动性能实验过程中，风机旋转速度变化范围是800rpm到1000rpm，上游风速变化范围是9m/s到15m/s。
因此，实验中，根据转子直径和转子外侧速度计算得到的雷诺数的变化范围是14000到17000。
为安全起见，风机转速被限制在1000rpm以下。
实际上，由ANSYS12.1结构分析得出的结果显示，当转速达到1200rpm时，叶顶前缘处的应力达到极限值。
数据是通过数据采集卡采集，然后传输到电脑上。
每个采集点以每秒10个数据的速度将扭矩、旋转速度和上游风速持续的测量出来。
为使扭矩波动最小化，在计算旋转功率前，对每一分钟内的扭矩值进行平均。
风能利用系数Cp用下式计算，这代表了捕获和可利用的能量在总能量中的比重。
实验中，当叶尖流速系数TSR变化时，风能利用系数Cp也会发生变化，如图2所示。
叶尖流速系数TSR是外侧流速和上游风速的比值。
实验得到的最大风能利用系数Cp为0.18，这个值较低，但是这和其他学者在类似直径的风机的研究结果是一致的。
Cp值较低是由于雷诺数较低，弦展比较低。
然而，Cp值随TSR的变化时连续的。
2.3．PIV研究：捕捉和图像处理PIV系统由丹麦丹迪软件动力学工作室负责管理。
通过发射波长为532nm 的Nd-Yag激光来捕捉图像，激光的脉冲能量为2×200mJ。
相机为DantecFlowSense 4M，两个相机像素为2048×2048，配备的镜头为Micro-Nikkor AF 60 mm f/2.8D。
系统配备一个图像采集卡和一个同步系统。
最后同步的图像和激光随着叶片角位置闪现。
通过油雾发生器产生的橄榄油微粒传播流动。
这些液滴的直径应该是2-5μm。
在转速低于n=500r/min时，测量转子内部和下游的流场。
这时，上游速度为7.2m/s，符合TSR为0.8时的条件。
本次研究试验6种不同的转子安放角，它们分别是θ=0°,30°,60°,120°和150°，每一点分别采集200帧连续图像。
图像采集和转子的旋转是同步的，当叶片定位在所需的角位置时，PIV系统会同步触动。
对于转轴来说，激光片光源可以通过叶片中部。
为了解决叶片表面产生的阴影的问题，我们使用了一面镜子，这同时可以照亮叶片背面。
为减少激光反射，底板尖端涂满了荧光。
当尖端被照亮时，它们反射橙色的光线。
装配了镜头的特殊过滤器，对于532nm波长的光线来说是透明的，从而克服了反射的影响。
然而，叶片边缘的光衍射和几何角度会产生一些影响图像质量的问题。
同时考虑到相机的频率为7Hz，每两转采一次图。
每一对图像中，第一幅和第二幅图的时间延迟为120μs。
这个值可以确保最佳的互相关联。
与此相适应的相关函数应用到32x32像素的诊断窗口和50％的重叠，它能提供了一个3毫米的空间解析度。
首先图表3捕捉了水平和竖直方向上的动态数据，这里，叶片周围相对速度全都是非稳态的。
除叶片附近区域外，相互作用是一致的。
尽管由于叶片形状和相对位置不同使得叶片附近区域图像饱和，但是叶片附近的速度场是可以通过CFD数值模拟出来。
在测量之前，为了使两个相机保持同步以及计算参数相同，我们采用标准图像模式。
因而，第一个相机捕捉旋转区域的图像，第二个轻微交叉的相机捕捉下游图像。
最后，将所有PIV测量结果按时间连接起来组成瞬态流速场，将个图像物理叠加构成平均速度场，图表4显示了叶片安放角为0度时的瞬态流场和相对速度3.数值模拟由于转子的展弦比AR=0.91比较低，所以风机的流场是三维的。
叶片被两个直径大于25%转子直径的圆盘约束着，这可以降低流动的复杂性。
因此，叶片的压力面和吸力面并不是直接相连的，流动泄漏也减少了。
然而，在旋转过程中，叶片环量是变化的，因此在转子下游会产生一个周期性的旋涡。
这个漩涡结构类似于弦展比非常低的振动式机翼的旋涡。
与二维的情况相反，存在尖端旋涡，在循环变化过程中会诱导产生速度。
最新的研究，如文献12,13,14,15说明了转子展弦比的重要影响。
因此，2D和3D数值模拟的对比是很有必要的。
最初一个二维数值模型的建立是为了获得数值结果，将这个结果和风洞试验作比较。
同时，计算网格垂直于流线延伸，以保证充分表达三维空间内水流通过转子的状态。
如果二维计算足够充分就可以证实这个结论，因为三维实验太高昂贵。
3.1计算网格网格是通过ANSYS Gambit 2.4.6来建立的。
二维网格如图5所示。
因为转子随着上游风向改变位置，所以变化网格的概念是实用的。
网格有两个明显的区域：一个外部静止的，代表着风机周围的流动；一个内部的，为了体现转子叶片的转动。
速度进口边界条件布置在转子上游，离转轴有8D的距离。
下游侧为压力出口，离转轴有25D的距离。
流动域的上端面和下端面离速度进口轴线8D。
风洞段比转子横截面宽50多倍，因此不需要在风洞测试段设置墙。
只需要选择离转子很远限制足够的域，在这个域里，流动不会被扰动。
外部网格由15个结构化块组成，有50.103个单元。
内部网格由2个非结构化块组成，有30.103个单元。
每个叶片表面被分成200个区域。
如图6所示，为了使y+<10，叶片附近布置了10层边界层。
第一层边界层厚度只有叶片长度的1/1000,增长率为1.05。
通过扩展二维网格来创建三维网格。
在Z方向上有140层网格，包括内部网格，比8.106单元多。
如图7所示，三维的边界条件和二维的差不多。
构成转子的内部旋转网格差不多有2.3.106个。
3.2数值模拟结果以及与试验结果的比较所有的计算使用ANSYS Fluent 12.1进行计算。
最开始，我们进行二维非定常的计算。
湍流模型为K-ωSST模型，离散格式为一阶迎风格式。
上游速度为10m/s，每一时间步长转子旋转1°。
经过三圈后，扭矩变得有周期性，只有过几圈当远尾流解出来后才能采用。
