基于CFD的Savonius石家莊風機葉片優化研究

石家莊風機廠石家莊風機石家莊市風機廠石家莊風機維修石家莊風機銷售    能源是推動經濟發展、促進社會進步的重要基礎，當今世界正面臨礦產資源耗竭的硬性制約和全球環境污染的巨大壓力，因此改進能源產業結構，開發可再生能源，已成為全球關注的焦點。風能是一種清潔無污染的可再生能源，由于其儲量豐富，開發成本較低，隨著我國能源產業結構的改革，風能的開發利用必將對經濟、社會和環境協調發展產生深遠影響。
    風力發電是目前技術較為成熟的一種風能利用方式，垂直軸石家莊風機在小型風力發電領域應用比較廣泛，其中Savonius石家莊風機由于啟動風速較低、氣動噪聲較小、不受風向限制等特點受到廣泛關注。但是Savonius石家莊風機輸出的轉矩具有周期變化的特點，周期性的轉矩會導致石家莊風機輸出功率的變化，容易引起電力系統電壓與頻率的變動，也會對石家莊風機的旋轉軸產生頻繁的沖擊，影響石家莊風機的耐久性；同時由于主要依靠迎風面的動力矩與阻力矩之差來做功，Savonius石家莊風機的動轉矩系數較低，導致風能利用系數較低。
    葉片是石家莊風機最重要的部件之一，葉片結構的優化設計將最大程度的改善石家莊風機性能。針對傳統Savorous石家莊風機的上述缺點，本文提出一種葉片扭曲變形的策略，結合葉片重疊比、葉片高徑比、葉片扭角、葉片弧度等葉片結構參數，對葉片結構進行變異設計，并利用計算流體力學(CFD)數值模擬方法研究不同結構參數對于石家莊風機動轉矩輸出性能的影響。
    首先利用Matlab結合Pro／E對石家莊風機葉片三維模型進行參數化建模；然后利用ANSYS Workbench作為協同仿真環境平臺建立仿真體系，依據Meshing中制定的網格劃分策略和Fluent中設置的求解方案，對不同結構參數Savonius石家莊風機葉片的旋轉運動進行動態仿真。
    利用多項式回歸、正交試驗、交互作用試驗等數據分析方法，對不同結構參數進行合理的試驗安排。以降低石家莊風機葉片動轉矩震蕩幅度、提高整體動轉矩輸出能力為優化目標，以動轉矩系數曲線、動轉矩系數極差、平均動轉矩系數等為評價指標，對不同結構參數石家莊風機葉片的動轉矩輸出性能進行分析對比，確定合理的葉片結構參數分布范圍，并根據葉片附近壓強分布、速度矢量分布等流場特征分析葉片各結構參數變化對于石家莊風機葉片動轉矩輸出性能的影響機理。利用流固耦合仿真分析方法，根據葉片表面應力分布及形變分布對優化前后TSavonius石家莊風機葉片的力學性能進行分析對比，對比發現優化后葉片結構強度有所下降，故設計隔板作為扭曲葉片的輔助結構以改善其力學性能。
    以葉片動轉矩輸出性能為優化目標，對隔板參數進行優化分析，確定合理的隔板分布方式，利用流固耦合仿真分析方法驗證其力學性能，并根據流場特征分析隔板作用機理。本文以葉片動轉矩輸出性能為優化目標，采用葉片扭曲策略和添加輔助結構等方式對Savonius石家莊風機葉片進行了結構優化設計，優化過程中所得到的數據及結論可以為工程應用中石家莊風機葉片的設計提供數據支持，以降低工程設計的工作量和盲目性；文中葉片各結構參數變化以及輔助結構對于動轉矩輸出性能的影響機理，可以為進一步的研究提供理論支持。
關鍵詞：Savonius石家莊風機；扭曲葉片；CFD；參數化建模；動轉矩系數：正交試驗；流固耦合；輔助結構