摘 要

近些年来，水平轴风力机的飞跃式发展人们有目共睹。内陆三北地区、川藏地区以及东南沿海等风资源密集的地区发展并形成颇具规模的由水平轴风力机组构成的风电场。对于Savonius型这款垂直轴风力机来说，风能的利用率低但却没能掩盖它优越的性能，启动力矩大、结构简单、安装方便、经济实惠，也因此获得越来越多学者们的青睐。本文借助Ansys有限元分析软件，利用CFD技术对四种不同参数的抛物线型叶片进行数据模拟。

论文内容主要以三个方面进行；第一步用Geometry工具建立二维域模型，网格划分后对域中不同的翼型设置不同的攻角进行定常数值研究；计算叶片模型的转矩。最后通过计算模拟所得的数据对Savonious风力机进行数值分析。

结果发现，攻角对叶片转矩影响很大，攻角在60°左右时，转矩最小；在攻角变化的周期内，转矩系数在有正有负；随着叶片内高的增大，转矩系数、阻力系数和阻力等都逐渐变小的。

关键词：Savonious风力机 数值模拟 有限元 阻力系数 转矩系数

Analysis of Blade Performance and Peripheral Flow Field of Parabolic Savonius Wind Turbine

ABSTRACT

As we all know, the development of horizontal shaft wind turbine improve dramatically in recent years. Inland three northern areas, Sichuan-Tibet region, the southeast coast and other wind-rich areas of development and the formation of a considerable scale by the horizontal axis of the wind turbine. For the Savonius type of vertical axis wind turbine, its superior performance had not fail to cover with low of use the wind energy, which have starting torque, simple structure, easy installation, affordable, and therefore more and more scholars Favored. In this paper, the finite element analysis software of the Ansys is used to simulate the four kinds of parabola blades with different parameters by CFD technique.

The content of the paper is mainly carried out in three aspects: it used to establish the two-dimensional domain model in the Geometry tool at first, after the meshing, the different angle of attack is set for different airfoils in the domain. Calculate the torque of the blade model. Finally, the numerical data of Savonious wind turbine are analyzed by calculating the simulated data.

The results show that the angle of attack has a great influence on the blade torque, and the torque is the smallest when the angle of attack is about 60°. In the period of the change of the angle of attack, the torque coefficient is positive and negative. With the increase of the height, torque coefficient, resistance coefficient and resistance are gradually smaller.

Key words: Savonious wind turbine, numerical simulation. finite element, drag coefficient, torque coefficient

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 Savonious风力机及其应用前景 2

1.3 国内外研究现状 4

1.4 本文工作要点 5

第二章 Savonious型风力机气动理论及CFD理论基础 7

2.1 Savonious型风力机 7

2.2 CFD理论基础 9

第三章 叶片性能数值模拟 11

3.1 建立模型 11

3.2 求解设置 14

第四章 S型风力机的二维定常分析 15

4.1 四种叶片速度、压强流场分析 15

4.2 转矩计算 21

第五章 结论 24

5.1 结论 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1 引言

工业革命开辟的煤炭，石油时代，使得科技飞速发展、经济水平日新月异。得益于化石能源带给我们巨大改变之后，大量的使用与开采也使得居住环境污染日趋严重，雾霾酸雾接踵而来，人们在享受这科技飞跃快感的同时身心也在不同程度的受到摧残，清洁的可再生能源的发展进度吸引着一波又一波热切的希望改善环境的学者们的瞩目。对于清洁的可再生能源，并不难理解，干净、使用后还可以再生的能源。太阳能居于首位，它源源不断供给的光和热，造就了地球上的所有生命，形成了一个非常完美的地球生态圈。辐射的热量经地表周围介质的吸热形成温差，气体的热胀冷缩引发了空气的流动补充，又形成了人们熟知的风。对风的探索与应用，让我们对它又有了新的认知，它的储量丰富且巨大，可谓取之不尽，用之不竭。

对于风能的利用，我国的典史中有明确的记载，3000多年前就已经有帆船的应用，如图1-1中所示，是我国古代的帆船模型图。到了明代，我国帆船技术更是达到了鼎盛时期。

在十九世纪之前，人类对风能的利用是通过简单的机械结构，风通过时结构表面形成的驱动力进行磨面、提水灌溉以及风帆航海等。进入二十世纪，世界各国开始重视开发与利用清洁可再生的风力资源。我国疆土面积位居世界第三，地形结构复杂，海岸线颇长，据不完全的粗略统计，可开发利用的风能储量陆地上约2.53亿千瓦，近海约有7.5亿千瓦。国外技术人才的引进，使得我国电子、机械制造行业日渐兴盛，现阶段已经具备自主研制开发风力机的能力，江苏省金风技有限公司就是中国风电行业的领头人中的代表，近年来更是将风电产业的发展方向指向了兆瓦级以上的风力发电机的研制。预计在将来的一段时间内，风电行业盈利能力将随技术的逐渐成熟而稳步提升[1]。在三北、江浙泸、甘肃、新疆等地，风电场的建设已经实现并网发电，很多富商纷纷前来咨询与投资，风电市场前景一片兴盛。虽然我国自主研制开发的风力水平轴风力发电机，风能利用率在逐渐提高[2]，但由于地理、环境等因素引发的一系列问题带给人们更多的难题，垂直轴风力机结构简单，制作成本低、安装方便、气动性能优越等使得其得到越来越多人的青睐[3]，以Savonius风力机为代表的垂直轴风力机更是以其佳优的性能逐渐赢得更多人的推崇，其叶片性能及周边流场的分析帮助我们对它有了进一步的了解。本文所研究的就是应用于Savonius风力机上的抛物线型叶片对风机的性能影响，并对其周围流场进行分析。

1.2 Savonious风力机及其应用前景

风能的利用最主要的形式是用来发电，风电技术的日趋成熟，使得风电成本越来越低[3]。风力发电机的研制得益于法拉第发现的电磁感应现象。风流过机械表面时形成的驱动力通过机械传动，进入发电机并利用电磁感应等过程完成风能到电能的转化，使得风力发

电在新能源发电领域颇具影响。国家的投资扶持，使得风电产业快速发展，如图1-2所示，是由水平轴风力发电机构成的风场机组效果图。风力发电的过程是通过风力机来完成的，所以风力机性能的优劣决定了风电的质量，风力发电机类型是以风机轮毂传动轴与地面所成的位置进行区分的，轮毂与地面水平为水平轴风力发电机，轮毂与地面垂直则为垂直轴风力发电机。

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