影响h -转子Darrieus风力涡轮机的空气动力

摘要

Darrieus风轮是一种垂直轴风力涡轮机，是一种非常有前途的风力变流器，适用于风力势弱、风速小的偏远地区和国内地区，但从与水平轴风力涡轮机的定量比较来看，这种类型的风力涡轮机性能较差。还需要进一步的研究来提高它的效率，以确定在低功率需求中所产生的功率的所有需求。本研究的目的是分析达里乌斯转子在旋转、维修和静止状态下各主要部件所受的作用力。针对3种不同的叶片形状(非对称和对称翼型)进行气动力评估，如Darrieus旋翼叶片的翼型截面形状。本文选取NACA 0021、LS413、S1046作为横截面剖面。本研究采用CFD模拟方法，得到了达里欧斯涡轮转子叶片上的不同气动力。结果表明，对称型S1046叶片在旋转和静止(静止)条件下具有较大的力。另外，由于S1046叶片气动扭转较小，NACA 0021的自启动能力优于S1046。

1.介绍

近年来，风能在世界上是一种相当重要的能源。风力发电必须被列为20年内增长最显著的能源之一^日世纪。几年前，蒸汽发电站的发电技术起到了很大的作用，而化石燃料似乎已经永远退居意义了发电风的作用。目前，风能发电在许多国家的重要来源。其使用的风能电力领域都安装了世界上大多数国家的高容量。转换动能已被众多设备，其中由发电机包含移动部件的风流将其转换为机械功的方向，然后用电介绍。空气动力特性在风力涡轮机的分类的主要基地。作用于翼型件上的空气动力常规拆分成其组成部分平行（拖曳）和正常（升程）的自由流速度矢量。因此，涡轮机的空气动力学分析的特征在于以下几点：（a）在保持并捕捉从流风的气动阻力的机械能量被称为拖动的风力涡轮机的风力涡轮机;（b）该风力涡轮机与气动升力过叶片翼型件的交易被称为电梯风力发电机。通过这种分类和分析，这两种涡轮机被设计成垂直轴风力涡轮机。此外，空气动力学参数调用“泵的比例是用来描述风力涡轮机的性能。它被分为“低速涡轮”和“高速涡轮”。风力涡轮机的分类是根据涡轮轴的转动位置和位置来划分的。因此，它将被配置成垂直轴风力机(VAWT)，围绕这个法线轴旋转。此外，其他图案绕水平轴旋转。因此，他们被称为水平轴风力涡轮机和这些类型是众所周知的公众由于商业扩散。

近年来，高效的VAWTs被改进和升级为相当可观的风力变流器。达利乌斯旋翼是在3世纪发明的^{理查德·道金斯}二十世纪的法国。Darrieus旋翼通常由2或3个叶片组成，但这些叶片平行于旋翼轴。垂直轴风力涡轮机(VAWTs)具有简单、易于设计、机械外壳、无偏航系统、齿轮箱和发电机的特点，并且机械和电子元件很容易达到地面水平。因此，其特点是安装方便，维护方便。同时，这种风转子也存在着效率低、自启动能力不足、无法控制转子功率输出等缺点。因此，像其他形式的叶片一样，涡轮通过可变螺距角来控制速度。达里乌斯旋翼(叶片为h形)的结构取代了传统的弧形叶片，称为蛋形叶片。如图所示1，设计者用支板将h -转子叶片与旋转轴连接[1]。

经过这次展示和定义，很明显，达里乌斯涡轮机有许多潜在的放大，目前还没有获得。需要更多的资金，更多的努力和更多的时间来实现这台涡轮机的优化设计。

2.技术和前期工作差距的国家

近年来，各国在风力发电机组的应用领域进行了许多有趣的尝试和研究论文，以解决这些国家的能源问题和危机。近二十年来，为了提高水平轴风力机的性能，水平轴风力机受到了广泛的关注。与此同时，在低风速下运行的垂直轴风力涡轮机没有良好、良好和有价值的利益。

垂直轴风力涡轮机（VAWT）如达里厄涡轮是特别重要的和有趣的城市区域，但它也有一些缺点，例如低的效率和弱功率输出;如果将其用水平轴线风力涡轮机相比，坏自启动能力是在VAWT一个主要缺点。

直叶片的Darrieus风力涡轮机是一个合适的选择，从标准形状获得甚至更吸引人的特点，易于制造，安装和施工。因此，具有直叶片的Darrieus涡轮被称为h -转子Darrieus涡轮。h -旋翼系统的叶片是直的和垂直的，而不是达里乌斯涡轮的标准形状的弯曲叶片。水平支柱直接连接叶片和轴。这些支板的位置有时在叶片的两端或中间，如图所示1。一项所述的垂直轴风力涡轮机的主要和基本特征的是从不同的方向的能力，以收集风。此外，简单明了的设计和制造导致容易构建，以及易于安装和维护。这些特点导致显着地降低与相对于其他类型的风力发电机的成本。这种涡轮机的空气动力模拟是由于分离和叶片周围的流动的动态失速非常定量地和定量地困难。优化设计尚未得到然而，即使有很多相当大的，显著发表的研究已经被引入了此配置。

通过计算方法和实验，许多出版物试图认识主要的适当的操作概念，并提高独特的性能达里乌斯转子。高桥等[2[[endnoteref: 3]]通过对几个截面的研究，通过实验和数值方法来提高直翼垂直轴风力涡轮机(SWVAWTs)的输出功率。采用瞬态条件下的双多流管模型(解析解)作为求解方法。Mukinovic等利用该方法推导气动结果[。3为了达里乌斯转子的性能。Kumar等人[4[[endnoteref: 17]]提出了一种适用于Darrieus (h -转子)涡轮的边界元法和CFD方法。

甲CFD模型由卡斯泰利等人提出。[五]来评估和几个条件下评估的大流士风力转子的性能。这模拟中使用NACA 0021翼型的截面轮廓和二维运动来研究涡轮的性能。为了估计H-转子大流士风力涡轮机的空气动力学效率，Sabaeifard等。[6]推导出一些成果已经通过实验和计算研究。各种设计和气动参数喜欢截面轮廓，叶片的片数，并solidities在纸进行了研究。优化设计用的0.36的最佳功率输出系数获得的。

通过测试20个非对称和对称翼型，Mohamed [7提高了Darrieus涡轮的性能。他总结说，S1046断面型是目前研究中建造Darrieus涡轮的最佳翼型，性能优于其他断面型。根据CFD方法，El-Baz等[8改进了Darrieus h型旋翼的空气动力系数。这组设计的最优配置功率系数比传统涡轮机高15%。

穆罕默德演变为[9]通过使用不同的方法来解决该涡轮机自起动，这是大流士转子的主要缺点的问题的自启动能力。在数字上，有几个机翼截面型材被Kanyako和Janajreh [研究10]使用CFD技术。Kanyako和Janajreh测试了一些机翼，如S1046、NACA 0015、NACA 0018和DU-06-W-200。他们推导出naca0015在低转速范围内具有最佳功率系数。Trivellato和Castelli讨论了courant - friedriches - lewy (CFL)标准的影响[11]和他们研究上的大流士涡轮机的精度的数值模拟结果的角行进时间步骤的效果。所述截面轮廓和所述桨距角已经由穆罕默德等检查。[12]。他们利用CFD数值模拟研究了25种不同的非对称和对称翼型。作者认为ls413(非对称)和S1046(对称)是获得最佳性能的最佳翼型。Bianchini等人[13[[endnoteref: 3]]提出了弦长对小涡轮涡轮半径比参数的影响，利用CFD模拟了Darrieus转子运动中的三段翼型。渡边等人[14通过像“风透镜”设计那样计算功率系数，阐明了风加速安排的主要影响。

研究了风透镜的设计因素，如半开角、扩散器长度和风透镜位置以及不同的剖面形状。这些研究人员总结和推断，NACA 0024的剖面是最适合和方便的类型达里厄斯涡轮机使用风透镜。

在空气动力学方面，以上大部分文献都试图提高和提高Darrieus涡轮的效率和自启动能力。本节中提到的几乎所有的实验和理论出版物都只对使用传统对称的NACA 00XX截面配置文件感兴趣。尽管如此，没有证据表明NACA截面型是这些类型VAWTs (h -转子Darrieus涡轮机)的最佳截面型。此外，这些论文都没有研究叶片周围的不同力以及这些叶片是由对称翼型还是非对称翼型组成。因此，在本文的工作中，笔者对NACA 0021、LS413、S1046等不同截面型的叶片周围静、动力进行了研究，以帮助设计人员和制造商对Darrieus涡轮的不同机械部件进行选择和设计。

3.操作原则

期间在涡轮机和其叶片通过H-转子的截面轮廓的风的气流，叶片产生有益的扭矩和功率。在涡轮机的所有旋转叶片等，速度三角形将在叶片上的所有点来生产。这些三角形由相对速度的这是在流速之间产生的， ，和周边叶片速度，u，如图所示2。还有一个重要的参数可以定义为速比， 。速比是叶片的圆周速度之间的比和自由流风速 ，并且该比率被定义为

攻角是一个直接的关系α用方位角表示θ还有速比λ。它可由下式计算（2)。这个方程将从速度三角形的分析中推导出来(如图所示)3)如下: 哪里 哪里速度(弦基)和都在正常速度分量。

不同的空气动力可在叶片的截面轮廓中产生由于通过涡轮机转子的空气流料流。主要是，这些部队被称为阻力和升力：拖曳力在空气流的方向和升力垂直于空气的流动。空气动力学，这些力量与攻击的角度深层关系风。偶尔，在异常情况或投球情况下，这些角度被称为入射角。随着解决这些势力，法向力还有切向力扭矩和功率输出的可靠力是否如图所示2。

该攻角，方位角，和所述速度比之间的函数被配制（2)。数字3由于h -转子所有转数的方位角和速度比的变化，提出了攻角的区别和奇点。

该图表示也是，更高的速度比内 ，迎角范围变化变得更低。这种影响是非常大的，它可以在打蛋形涡轮机的仿真加以考虑。

该影响在截面轮廓力的另一个主要参数是转子牢固。坚固性是确定大流士涡轮机的形状尺寸的要素;它可以被定义为 哪里为叶片数量，是任何翼型的弦的长度，并且是涡轮的半径。

达里乌斯h -转子涡轮的几种力和性能取决于各种因素，如自由流风速， ，功率输出， ，空气动力积极的转矩,Ť，在旋转轴上，有效转子面积一个。将这些因素分组，得到气动力、力矩和功率系数的方程如下: 哪里和分别为功率系数和转矩系数。此外,C_x是轴向力系数C_Ť为切向力系数。读者必须注意到，所有这些因素都是动态参数。这意味着所有这些因素都通过转子的转动进行了研究。虽然C_{多发性硬化症}为静态力矩系数，它是在涡轮静态情况下如维修情况下定义的。此外,C_{多发性硬化症}是涡轮自启动能力的一个非常显著的指标。在最近的研究中，所有这些因素都被确定，以得到对截面剖面在旋转和静态条件下的完整受力分析(如图所示)4)。

4.方法学和模型验证

建模计划和策略，在本节进行了介绍，以澄清使用翼型的几个轮廓部分的大流士转子的空气动力学行为的模拟预测的目标。具有对称和非对称的机翼形状（3个翼型件），NACA 0021（对称翼型），S1046（对称翼型），和LS413（非对称翼型），如图所示的本工作涉及五。这项工作的目标是获得涡轮叶片周围的动、静不同的力和扭转。这将有助于机械设计师和制造商建立和建设一个达里乌斯涡轮机安全。在固定风速为9米/秒的情况下，对不同角速度下的涡轮进行了分析。表中总结了所研究的涡轮的主要几何特性1。

在这项工作的第一步，一个重要的任务是深入研究完整的数值模型。本文所进行的所有计算均采用了商用ANSYS软件(Fluent)。在CFD技术中，一个称为“雷诺数平均Navier-Stokes”方程(URANS)的瞬态案例研究使用了压力速度耦合的“简单算法”。采用二阶迎风格式的有限体积分析方法对所有因素进行离散。非定常流动不可压缩连续方程可写成张量式为 动量方程可以写成

在动态力计算，通过使用滑动网格模型（SMM），所述2D瞬变流被执行，以看哪的涡轮旋转的影响的物理性质。然而，在静态情况下，滑动网格模型（SMM）不是必需的。收敛双测试得到满足。第一次检查是依靠扭矩系数收敛标准，它必须是低于1％。第二个是由残差应该是低于10实现^-5在任何物理时间步骤（迭代）。所有仿真介绍，需要5圈，以获得稳定的收敛状态。通过平均值，最后一转，功率系数，和扭矩系数的结果已经确定。与70最终子迭代目前的研究，以获得解决方案融合在所有的物理时间步被利用。Computation accomplished by 8-processor, 2.80 GHz clock frequency PC needs a whole CPU time of about 350 minutes during five cycles. The accurate mesh evaluation was performed on one configuration that has three-blades NACA 0021 sectional profile blades at = 3. An unstructured mesh was chosen for the full flow domain with accurate qualities.

网格的界面边界的两边有相同数量的单元尺寸的分外获得更快的收敛和连续性方程。密度和在2D CFD域非结构化单元的质量进行了研究，并通过不同的细胞尺寸范围大约内55000个200,000个细胞读取。这项工作提出，超过153200个细胞导致输出量小于1.049％的相对方差作为表示在图6。164200个细胞的合理的电网已经举办过所有的进一步结果，由于计算时间。

采用了尺寸方便的方形CFD畴形，且涡轮直径与CFD畴长的比值较大;如图所示，该比率为257。在静止和旋转区域内，网格被选取为非结构化网格(见图)8)。具有1.4的生长速率在叶片壁边界上六层已经完成，得到的小规格化壁距离y+ < 3。墙的功能已经被用来y+ < 3 through the simulations of the flow field with a fixed wind speed of 9 m/s and it will be constant in the whole simulation in the present project. These techniques ware utilized in various applications by one of the authors of this paper in the drag and lift vertical turbines [15-19]。卡利等人。[20]提供了一种方法，增强了对帆板布置和纤维方向对帆板性能影响的认识。采用计算结构力学的方法，对对称旋压机的流固耦合进行了研究。数值模拟也被用来比较帆的设计和优化帆的参数[21]。

仿真中使用的CFD边界条件如图所示7和8。旋转和固定的边界之间的对称边界，速度入口，压力出口和接口被要求如图7和8。在表2对CFD的边界条件和流域尺寸进行了总结。

该湍流模型的验证是实现电网的独立测试后在模拟的第二步。空气动力学和解和功率系数接近目前的模型与实验结果之间已由Castelli等发表[。五]。及其他CFD计算结果[五，7，12，18，22]在图所示9。比较是定量和定性。此外，应注意，存在本CFD模拟和实验结果[之间准确，合理，相当大的协议五]在功率输出系数的确定中。的可实现的本CFD模型采用湍流模型，并采用标准壁函数。从这一比较中可以看出，目前采用的CFD方法是计算和模拟h -转子Darrieus涡轮性能的可行策略。本文研究的h动叶垂直轴风力机工作在雷诺数为10的流场中^五。流动速度, ，模拟时是否为9米/秒，雷诺数约等于0.3×10^五建立(和弦的基础),= 0.05 m。进口湍流强度为5%，涡轮水力直径为1 m。

这种湍流模型（变现湍流模型）引入，并通过Shih等提高。[23]。这种模式是依靠新的传输方程湍流耗散率是升级湍流模型的特点。模型临界系数（ ）这在标准中已经是常数了模型是可实现的可变湍流模型。该变系数是平均流动条件和湍流特性的函数。

在旋转流、分离流和强逆压梯度下的流动中，可实现湍流模型引入了高超的性能。此外，该湍流模型也解决了标准中存在的基本问题特别是当流动特征包括旋转、旋涡和流线中的极端曲率时。

单词“变现”手段，该模型接受流动限制和与湍流物理和谐，正应力的数学分析。通过使用 ，得到了引入负正应力的结果 ，正量"不可实现"“为了实现它，必须是可变的，考虑它是湍流特性的函数。运输方程和在可实现的模型的写法如下： 哪里 哪里为所产生湍流动能的函数;为所产生湍流动能的函数;为脉动不可压缩扩散;和为湍流普朗特数的函数;和是用户定义的源项。

5.结果和讨论

垂直轴风力机的气动性能受到许多参数的影响。在任何翼型上产生的基本力是阻力和升力。升力对阻力的比率是一个功能的涡轮凝固，翼型截面剖面，速度比，和风速。本文研究了涡轮翼型在旋转和静止状态下的动、静态力，如轴向力系数( ),切向力系数（ ),转矩系数( ),静态转矩系数( )。下面的结果可以帮助设计者和制造商选择合适的材料和涡轮机的不同元素的便利尺寸。所有这些系数将从等式[确定五-9]为几个截面翼型截面轮廓，NACA 0021，LS413，和S1046。

在图10中，结果表明，该由LS413翼型的涡轮机具有更高的转矩系数。方程（五)用于计算扭矩系数，即一个动力矩。因此，这表明涡轮引入了更大的功率输出，由(6)。此外，这里的读者不应该注意显示涡轮旋转方向的负面标志。但静态力矩可由(9并介绍了汽轮机的自启动能力。此外，在维护条款中，涡轮将是静止的，而静态扭矩( ),静态推力（ ),及静态切向力( ）会影响几个部件，可能会发生故障。数字11介绍了几种截面型翼型(NACA 0021, LS413，和S1046)涡轮之间的友好关系，以获得该气动力系数。可以看出，不同h转子Darrieus涡轮之间的静力系数没有太大的变化，只是S1046的静转矩系数小于其他涡轮。这给了优势，在S1046涡轮上的静态扭转较小;而由S1046组成的涡轮具有自启动能力较弱的缺点。在数据12和13分别介绍了0、30、60、90和105度静压工况下不同涡轮设计时的压力和速度分布。

所述动态负载也是达里厄涡轮机的机械设计和制造过程中非常显著和重要;因此，作者研究的瞬时的切向力和轴向力系数如在图呈现14和15。该研究分析了旋转方位角每一度的受力情况，并分别研究了涡轮中每一个叶片的受力情况，从而显示出叶片的动态应力和瞬时载荷。从图中还可以看出，S1046叶片比其他翼型具有更高的最大切向力和轴向力系数。这意味着在选择由S1046组成的涡轮时，设计者要考虑更高的动载荷。

6.结论

垂直轴风力机(VAWT)，特别是Darrieus风力机，适合在低、弱风速条件下工作。然而，与水平轴风力涡轮机相比，它的气动性能非常低。本文的目的是评估Darrieus h型旋翼在之前工作中选择的最佳叶片翼型下的气动性能，并详细介绍涡轮叶片在旋转或滞(静)态时所产生的不同力。在ANSYS fluent商业代码界面下，采用基于有限体积分析的CFD模拟方法。因此，得出了一些结论:(我)研究了三种适合Darrieus涡轮(h -旋翼)的翼型，它们具有较高的气动性能。结果表明，NACA 0021、S-1046和LS413是文献中最适合的翼型。这些翼型是对称翼型，如NACA 0021和S-1046;然而，LS413是一个非对称的。(2)该湍流模型已被用于与支撑标准壁面函数的本CFD研究。（ⅲ）本文从定量和定性的角度对验证进行了介绍，注意到目前的CFD模拟数据与实验数据之间存在较好的一致性[五]期间的功率输出系数的计算。从这个比较中，应该注意的是当前计算流体动力学方法是空气动力学计算的大流士涡轮机的性能精确战略。(iv)轴向力系数( ),切向力系数( ),扭矩系数( ),及静态转矩系数( ）在目前的工作中已经检查了作为动态和静态力指示器的叶片在旋转和静态的情况下。(v)结果表明，采用LS413型截面的水轮机具有较高的动转矩系数;这说明涡轮在正常旋转条件下会引入高功率输出。(vi)在维修时间和静止状态下，涡轮将是静止的，静止力矩( ),静态推力（ ),及静态切向力( ）对于不同的应力影响涡轮机的不同部分的指标。结果表明，除了S1046静转矩系数，存在两个涡轮机，其小于另一个之间的空气动力静力没有巨大的差异。(七)静转矩小，采用S1046后涡轮的静扭矩较小;然而，使用S1046构建的涡轮存在着自启动能力下降等缺点。(八)结果表示的是，S1046叶片具有更高的最大切向力和比其它翼型件的轴向力系数。这意味着在选择由S1046组成的涡轮时，设计者要考虑更高的动载荷。

命名法

：	转矩系数(-)
：	功率系数(-)
：	叶片弦长度（m）
：	转子投影面积(m3）
：	机械扭矩（N·M）
：	转子半径(米)
：	风速(米/秒)
：	间隙（M）
y +：	标准化墙距(-)
：	湍流动能（J / kg）的
：	转子高度(米)
ñ：	叶片数（ - ）
：	机械功率（W）
u：	叶片速度（m / s）的
：	相对速度(米/秒)
：	自由流速度（米/秒）
：	正常的速度(米/秒)
：	弦的速度(米/秒)
：	升力(N)
：	阻力(N)
：	法向力(N)
：	机械功率（W）
u：	叶片速度（m / s）的
：	相对速度(米/秒)
：	自由流速度（米/秒）

缩写

巨蜥:	非定常雷诺数平均为Navier-Stokes
社交媒体:	滑动网格模型
VAWT：	垂直轴风力涡轮机
HAWT：	水平轴风力涡轮机
节能灯:	Courant-Friedrichs-Lewy
CFD：	计算流体动力学
DMST:	双多流管
简单:	压力连接方程的半隐式方法
节能灯:	Courant-Friedrichs-Lewy

希腊符号

：	迎角(°）
：	转子坚固（ - ）
：	动态粘度（公斤/米·秒）
：	涡流粘度(公斤/米·s)
：	叶尖速比（ - ）
：	方位角（°）
：	角速度(rad / s)
：	湍流耗散率(J/kg·s)
：	湍流运动粘度(m2/ s）的
：	进口半开启角(°）
：	密度（千克/米3）

下标

：

时空张量

标

：	的意思是
：	波动。

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据是可用的，请相应的作者。

的利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

这个项目和证实得到比沙大学的财政支助。

参考

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版权

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