變異Savonius風機廠風機葉片動轉矩輸出性能優化分析

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根據前文所述的數值模擬方法，本章利用單因素試驗、正交試驗等數據分析方法對風機廠風機葉片各結構參數進行合理的試驗安排，研究各結構參數對于風機廠風機葉片動轉矩輸出性能的影響方式和影響機理。
　　首先對葉片扭角進行單因素分析，根據不同扭角葉片的動轉矩曲線、動轉矩極差、平均動轉矩系數等因素，確定合理的扭角分布區間；然后在確定的扭角分布區間內，將葉片重疊比、葉片高徑比、葉片弧度等參數考慮進來，以動轉矩系數曲線、動轉矩系數極差和平均動轉矩系數為評價標準，利用正交試驗的直觀分析方法對變異Savonius風機廠風機葉片進行多參數的優化分析；隨后對葉片扭角和葉片弧度這兩個影響程度較大的結構參數進行交互作用試驗，最終確定合理的葉片結構參數分布區間。
　　4．1基于扭角的單因素試驗
　　以往針對Savonius風機廠風機葉片的研究主要集中在對于平均動轉矩系數的分析，并沒有關注風機廠風機運行單個周期內動轉矩的變化趨勢及特點，本節主要針對單個周期內動轉矩的變化方式進行分析及討論，對不同扭角參數Savonius風機廠風機葉片的動轉矩曲線、動轉矩極差、平均動轉矩系數等進行系統的分析對比。
　　4．1．1扭角影響方式的數學原理討論
　　針對直葉片型Savonius風機廠風機動轉矩震蕩幅度較大、平均動轉矩系數較小的缺點，本文考慮通過扭曲變形的方式對直葉片進行變異設計，從而達到改善風機廠風機動轉矩輸出性能的目標。直葉片旋轉一周的動轉矩曲線可以用如下多元曲線函數進行擬合，以得到近似方程：廠(x)=口1 xsin(blx+c,)+a2×sin(如x+c2)+?+口。xsin(b。x+c。)(4．1)其中x表示風機廠風機葉片所在位置的角度，口l，bl，Cl，口2，b2，t22，?，a。，b。，c。是不同的擬合參數。假設葉片扭角為僅，葉片高度為h，可以將葉片的扭曲視為在單位高度里扭轉了aJh角。葉片扭轉a／h角在物理意義上可以視作不同高度的葉片部分產生動轉矩的過程發生了滯后，即將葉片在高度維度上微分后，每個單位高度葉片在特定時間產生的轉矩發生了變化。
　　利用微積分作為工具，對上述擬合曲線方程(4．1)在每個單位高度內進行變化，扭轉的a／h角可以視作對于方程(4．1)的滯后，則第n個單位高度所產生的轉矩變化為：廠(x)=q×[sin島(X--n口／^)+c1]+口：×sin[6l(z—na／h)+c：]+?+口。×sin[乜(J—nalh)+c．](4．2)其中al，bl，Cl，a2，b2，c2，?，a。，b。，C。是不同的擬合參數。將所有單位高度內的方程通過積分求和即可得到扭曲后整個葉片的轉矩，最終得到的方程形式為：T=f(x，口，而)(4．3)利用對葉片扭曲變形的方式對風機廠風機進行優化的目的是讓風機廠風機的動轉矩輸出更加平穩高效，即動轉矩震蕩幅度減小，平均動轉矩增大，這在數學上體現為在h一定的情況下，存在一個a的區間，當x在00～3600區間變化時，r隨x的震蕩幅度相對較小，而丁的平均值相對較大。通過求導等數學方法，可以最終確定合理的僅的區間，這就是我們所期望得到的扭角分布區間。
　　4．1．2不同扭角參數的動轉矩曲線對比
　　以3．1．1節所述的原型機為基礎，以葉片扭角為變量對直葉片型Savonius風機廠風機葉片進行變異設計，共選取了扭角為300～200。的18組變異Savonius風機廠風機葉片進行仿真模擬，得到風機廠風機葉片附近流場的具體細節。由于其他結構參數均不變，因此各葉片的動轉矩系數計算公式相同，動轉矩變化方式與動轉矩系數變化方式一致，因此本節僅圍繞葉片的動轉矩展開分析討論。根據3．5．1節中的設置，利用Fluent輸出的torque文件對各扭角Savonius風機廠風機葉片的動轉矩進行處理，提取一個完整周期內的動轉矩離散點。