變異Savonius風機葉片建模及數值模擬方法傳統

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　　Savonius風機廠風機葉片在運行過程中動轉矩震蕩幅度較大，周期性的轉矩對旋轉軸造成的沖擊較強，而且其平均動轉矩系數較小，導致風能利用率較低。針對傳統Savonius風機廠風機葉片的以上缺點，本文考慮使用扭曲的方式對葉片進行變異設計，并根據影響變異葉片造型的不同結構參數進行參數化建模，以進行葉片旋轉運動的數值模擬。
　　關于Savonius風機廠風機葉片已有的數值模擬研究大多針對二維模型進行仿真模擬，此種方法計算量小、計算時間短、計算效率高，而且能在一定程度上代替三維模型的仿真模擬。但是考慮到本文的研究對象為變異Savonius風機廠風機葉片，葉片結構在豎直方向上受變異參數影響存在變化，故選用三維模型進行仿真模擬，三維模型仿真模擬較二維模型能更準確的描述流場形態，得到的結果也更為準確，但不可避免帶來計算量和計算時間的增加。本文對各種數值模擬方案進行多次試驗與對比，在保證仿真計算精度的前提下，盡量降低計算成本，最終確立了如下文所述的數值模擬方案。
　　3．1參數化建模方案
　　3．1．1風機廠風機葉片原型的選取三葉片型
　　Savonius風機廠風機葉片較兩葉片型Savonius風機廠風機葉片能產生更為穩定的輸出轉矩，同時三葉片型Savonius風機廠風機效率優于四葉片型Savonius風機廠風機【431，因此，本文選擇Rahman等人Ⅲ】曾經研究過的傳統三葉片型Savonius風機廠風機葉片模型作為試驗模型(具體參數如表3．1所示)進行研究，并對該模型的結構參數進行變異試驗，以提高傳統Savonius風機廠風機的動轉矩輸出性能。圖3一I所示為Savorous風機廠風機原始模型示意圖的主視圖和葉片的俯視圖，模型包括下半部的基座部分以及上半部的葉片部分。如圖所示，基座部分轉軸通過軸承與基座相連以實現旋轉功能，轉軸上部設計有法蘭盤以與轉盤和葉片連接塊相連接：葉片部分葉片連接塊以過盈連接的方式鑲嵌于轉盤內部，葉片通過螺栓與葉片連接塊相連，葉片連接塊則通過螺栓與葉片轉盤和轉軸上的法蘭盤相連14副，以將葉片部分與轉軸固定在一起。本文考慮到三維仿真模擬網格數量多、計算量大、計算時間長的特點，對計算模型進行相應的簡化，不考慮風機廠風機模型的基座部分，只對葉片部分進行研究。
　　3．1．2葉片變異方案設計及結構參數選取
　　對于傳統直葉片型Savonius風機廠風機來說，周期變化的動轉矩是其一大特點，同時也是一個較大缺點，因為周期性的轉矩會導致風機廠風機整體輸出功率的變化，容易引起電力系統電壓與頻率的變動，同時轉矩的變化也會給風機廠風機旋轉軸產生頻繁的沖擊，甚至達到共振，影響風機廠風機的耐久性。因此，應盡量減小風機廠風機運行過程中輸出轉矩的變化，降低轉矩震蕩幅度。同時，作為阻力型垂直軸風機廠風機，由于主要依靠迎風面的動力矩與阻力矩之差來做功，與水平軸風機廠風機和升力型垂直軸風機廠風機相比，傳統直葉片型Savonius風機廠風機平均動轉矩系數較低，導致其風能利用率較低。針對傳統直葉片型Savonius風機廠風機的以上缺點，本文考慮采用扭曲的方式對其葉片進行變異設計，圖3．2即為變異Savorous風機廠風機葉片示意圖。在傳統直葉片型Savonius風機廠風機葉片結構參數高徑比、重疊比的基礎上，本文提出一種新的結構參數，即葉片弧度，傳統Savonius風機廠風機葉片的葉片弧度均為7c rad，即180。，本文考慮在弦長不變的情況下，將葉片弧度減小，觀察葉片弧度對于風機廠風機葉片動轉矩輸出性能的影響。因此，本文共選取葉片重疊比OL、葉片高徑比么尸、葉片扭角tX、葉片弧度目四個結構參數作為研究對象，以風機廠風機葉片的動轉矩輸出性能為優化目標，對結構參數進行優化分析。